戴 倩

（天津市光彩自控工程有限公司，天津 300384）

集中供熱系統(tǒng)是城市的基礎(chǔ)設(shè)施之一，也是城市現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。發(fā)展集中供熱對節(jié)能減排、改善環(huán)境質(zhì)量、提高人民生活水平都具有重要的意義。供熱企業(yè)面對換熱站數(shù)量不斷增加，對運行管理提出更高要求，對如何利用自動化控制技術(shù)，借助現(xiàn)代通訊網(wǎng)絡(luò)，收集供熱系統(tǒng)的信息，集中監(jiān)視、分級管理、綜合分析、協(xié)調(diào)調(diào)度、實現(xiàn)安全運行、環(huán)保達標(biāo)，提出了強烈的行業(yè)需求?；诠嵝袠I(yè)的系統(tǒng)需求和自動化控制系統(tǒng)的完善，加上通訊網(wǎng)絡(luò)的普及，本文研制開發(fā)了遠程智能型換熱站自動控制系統(tǒng)。

1 換熱站的工作原理

換熱站主要完成從供熱一次網(wǎng)到二次網(wǎng)的熱量交換。換熱站監(jiān)控系統(tǒng)可對熱網(wǎng)的溫度、壓力、流量、開關(guān)量等信號進行采集測量、控制、遠傳。實時監(jiān)控一次網(wǎng)、二次網(wǎng)溫度、壓力、流量，循環(huán)泵、補水泵運行狀態(tài)及水箱液位等參數(shù)信息，對供熱過程進行有效地監(jiān)測和控制。在供熱期間將室外溫度、最遠端溫度引入控制策略，調(diào)節(jié)一次供水調(diào)節(jié)閥來控制二次網(wǎng)的供水溫度（可手動、自動控制），達到按需供熱，實現(xiàn)氣候補償，進行分時、分區(qū)控制，實現(xiàn)變頻器的精準(zhǔn)、節(jié)能控制，進而實現(xiàn)供熱全網(wǎng)熱量平衡及節(jié)能、安全運行。換熱站工作原理如圖1所示。

圖1 換熱站工作原理Fig.1 Working principle of the heat exchange station

2 換熱站控制系統(tǒng)

換熱站控制系統(tǒng)主要由遠程監(jiān)控部分（包括上位操作計算機及軟件組態(tài)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、打印機、數(shù)據(jù)交換機）通過GPRS設(shè)備或光纖環(huán)網(wǎng)交換機完成現(xiàn)場各換熱站的數(shù)據(jù)采集、集中顯示、各個工藝參數(shù)的遠程設(shè)定、遠方啟停運行、設(shè)備保護功能的監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)的記錄，實現(xiàn)遠方傳輸、遠程控制。現(xiàn)場控制部分包括下位機可編程邏輯控制器設(shè)備（PLC）及編程、觸摸屏及編程、與PLC設(shè)備的通訊鏈接。溫度儀表、壓力儀表、流量儀表、變頻器、水泵等測量儀表和其他運行設(shè)備主要完成換熱站的信號檢測，可在PLC和觸摸屏上完成換熱站的二次供水溫度調(diào)節(jié)、二次網(wǎng)的定壓補水、設(shè)備運行、監(jiān)控保護、數(shù)據(jù)存儲等功能。通訊部分通過GPRS或光纖環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳、下傳、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享。遠程智能型換熱站系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 遠程智能型換熱站系統(tǒng)Fig.2 Remote intelligent heat exchanger station system diagram

2.1 下位機組成及功能

下位機主要由可編程邏輯控制器（PLC）和液晶顯示操作終端（HMI）兩部分組成。彩色液晶顯示屏主要完成各種監(jiān)控畫面、采集參數(shù)的顯示，輸入?yún)?shù)設(shè)定，完成人機對話。PLC控制系統(tǒng)采用性價比較高的西門子S7-200系列PLC，包括CPU模塊、I/O模塊、通訊模塊等，完成溫度、壓力、流量數(shù)據(jù)的采集、記錄、計算及人工智能控制，實現(xiàn)時序控制和復(fù)雜的邏輯控制，系統(tǒng)可以集成多種通訊接口，適用于GPRS和光纖內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通訊。PLC系統(tǒng)如圖3所示，部分觸摸屏畫面如圖4所示。

圖3 PLC系統(tǒng)Fig.3 Programmable logic controller system

圖4 部分觸摸屏畫面Fig.4 Part of the touch screen images

下位機編程選用西門子公司開發(fā)的組態(tài)軟件STEP7-Mincro/Win V4.0編輯。本設(shè)計采用結(jié)構(gòu)化編輯方式編輯下位機程序，把結(jié)構(gòu)相似、控制功能相近的程序編寫成相近的指令模塊，其中還開發(fā)編寫了針對換熱器的特殊的大滯后算法模塊，實現(xiàn)了具有特色的智能PID調(diào)節(jié)，只要給這些模塊賦予不同的參數(shù)，即可實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)、定壓補水、運行保護、數(shù)據(jù)監(jiān)測的控制功能。進一步滿足了不同用戶的各種控制需求。

2.2 上位機配置及其功能

上位機采用工業(yè)控制計算機加工業(yè)控制軟件的配置?？蔀橄到y(tǒng)配置的工業(yè)控制應(yīng)用軟件有組態(tài)王KINGVIEW、美國Intellution的Ifix、西門子WCC、和利時Hollyview。按照系統(tǒng)的不同特點及要求進行系統(tǒng)的軟件編程，適應(yīng)不同的系統(tǒng)管理、控制功能。在上位機上可實現(xiàn)對系統(tǒng)各項參數(shù)的集中顯示，動態(tài)顯示各換熱站、各種設(shè)備的運行狀態(tài)。通過上位機的軟按鈕可以遠程設(shè)定某個換熱站的電動調(diào)節(jié)閥門的開度、出水溫度、水泵的運行頻率、定壓補水?dāng)?shù)值、壓力保護值、水箱液位報警值。

上位機具備安全操控與報警功能。用戶只有在登錄界面輸入用戶名和密碼才能進入系統(tǒng)，在開啟或關(guān)閉設(shè)備時也必須輸入密碼才能實現(xiàn)遠程控制，同時事件記錄界面會記錄操控設(shè)備的用戶名和操控時間，做到負責(zé)到人。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，上位機啟動聲光報警信號，通知當(dāng)班人員確認并排除故障，通過組態(tài)的報警記錄自動記錄報警發(fā)生的時間、設(shè)備號及故障類型，便于事故查詢。上位機畫面如圖5所示。

圖5 上位機畫面Fig.5 PC screen

2.3 網(wǎng)絡(luò)通訊功能

目前普遍應(yīng)用的通訊方式有GPRS和光纖局域網(wǎng)2種。GPRS通訊通過手機流量卡，經(jīng)過無線傳輸實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)。它的特點為覆蓋面大、施工方便、通訊速率較慢、傳輸率低、帶寬窄。GPRS通訊如圖6所示。光纖局域網(wǎng)通訊是通過電訊部門搭建的光纖局域網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)。它的特點為覆蓋面相對小、施工量大、通訊速率快、帶寬可達百兆、可傳輸數(shù)據(jù)、視頻。供熱光纖局域網(wǎng)如圖7所示，依托于方便、快捷的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通訊功能，上傳各換熱站的數(shù)據(jù)信息，下傳遠程監(jiān)控的數(shù)據(jù)指令，設(shè)定工藝運行參數(shù)，保證熱網(wǎng)系統(tǒng)的安全、有效運行。

圖6 GPRS通訊Fig.6 GPRS communication

圖7 供熱光纖局域網(wǎng)Fig.7 Heating fiber LAN

3 換熱站控制系統(tǒng)的主要控制功能

3.1 二次網(wǎng)溫度控制

換熱站控制系統(tǒng)具有氣候補償、恒溫供水、人工設(shè)定、不利點跟蹤、氣候的變化自動調(diào)節(jié)等功能。應(yīng)用PLC的豐富算法和控制功能，根據(jù)室外溫度的變化、不利點溫度和當(dāng)?shù)責(zé)嶝摵桑ㄇ€可以進行偏差修正），將一天中溫度設(shè)定值的變化規(guī)律引入控制算法，計算出二次網(wǎng)側(cè)的供熱溫度設(shè)定值，將實測供熱溫度和設(shè)定值比較后，進行智能PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，控制器輸出信號至一次網(wǎng)流量電動調(diào)節(jié)閥門，使二次網(wǎng)供水溫度達到控制要求，實現(xiàn)經(jīng)濟、合理、舒適供熱。溫度調(diào)節(jié)控制原理及一天中設(shè)定值的變化規(guī)律如圖8、圖9所示。

圖8 溫度調(diào)節(jié)控制原理Fig.8 Temperature regulation control principle diagram

圖中： f（x）=f（Tc+Ta+To）；Tc為時間時序溫度；Ta為不利點溫度；To為室外溫度。

圖9 一天中設(shè)定值的變化規(guī)律Fig.9 Variation of settings in the day

3.2 二次網(wǎng)差壓及補水控制

實現(xiàn)二次網(wǎng)供/回水壓力差值智能PID控制，從而保證最不利點正常供暖。壓差設(shè)定值可根據(jù)經(jīng)驗參數(shù)或補償曲線設(shè)定補水泵變頻控制。

自動補水是由二次網(wǎng)側(cè)回水管路上的壓力變送器檢測的壓力信號與控制器上回水壓力設(shè)定值比較后輸出一個控制信號，通過智能PID控制來調(diào)節(jié)補水泵的轉(zhuǎn)速，保證二次熱網(wǎng)的壓力，從而實現(xiàn)二次網(wǎng)回水自動補給。補水定壓的結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 補水定壓的結(jié)構(gòu)Fig.10 Hydrating constant pressure diagram

3.3 保護功能

管道失壓保護[1]：二次網(wǎng)側(cè)回水壓力低于超低限設(shè)定值時，自動停止循環(huán)泵運行，并關(guān)閉電動調(diào)節(jié)閥，自動補水系統(tǒng)投入運行，開始補水。自動補水系統(tǒng)投入運行后二次網(wǎng)側(cè)回水壓力仍繼續(xù)降低即發(fā)聲光信號報警。

異常斷電保護[2]：停電后自動關(guān)閉電動調(diào)節(jié)閥，切斷熱源，控制器及變頻器自動復(fù)位并使各種設(shè)定參數(shù)和運行狀態(tài)參數(shù)保持原斷電前設(shè)置。

超溫保護[3]：二次網(wǎng)供水溫度超過80℃（操作面板可調(diào)設(shè)定值）時，一級網(wǎng)側(cè)電動調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。一次網(wǎng)回水溫度超過70℃（操作面板可調(diào)設(shè)定值）時啟動高限制保護，以一級網(wǎng)回水溫度為目標(biāo)控制電動調(diào)節(jié)閥門開度。一次網(wǎng)側(cè)供水溫度超過設(shè)定值時立即關(guān)閉一級網(wǎng)側(cè)電動調(diào)節(jié)閥并報警。

超壓保護：二次網(wǎng)供水壓力超過設(shè)定超高限值（操作面板可調(diào)設(shè)定值）循環(huán)泵停止運行并關(guān)閉一次網(wǎng)側(cè)電動調(diào)節(jié)閥。

監(jiān)測水箱液位，具備報警保護功能。水箱液位為4～20 mA信號輸入，停補水泵信號由控制器送出，停泵水位可以人為設(shè)定。經(jīng)過搭建這樣的遠程智能型換熱站自動控制系統(tǒng)，最終可以實現(xiàn)換熱站的無人值守、智能控制、安全運行。

4 結(jié)語

以高可靠PLC控制器作為換熱站的主控制器，配備通訊網(wǎng)絡(luò)、主控計算機管控，實現(xiàn)了對熱網(wǎng)換熱機組遠程、智能、安全的自動控制；實現(xiàn)了良好的人機對話，方便操作人員在觸摸屏、主控室了解現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)采集并進行參數(shù)設(shè)置；實現(xiàn)了故障保護功能；實現(xiàn)了現(xiàn)場和遠方兩級操作；實現(xiàn)了換熱站的手機瀏覽功能。維護人員可以靈活組態(tài)和方便查找現(xiàn)場設(shè)備故障原因，達到了直觀、快捷、安全運行的目的。該控制系統(tǒng)已經(jīng)分別在天津、北京、新疆等多地供熱部門常年運行應(yīng)用，獲得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益，反應(yīng)良好。

[1]吳世磊.熱力站設(shè)計與運行[M].北京：中國電力出版社，2008.

[2]張凱清.熱力站啟動調(diào)試與安全運行[M].北京：中國電力出版社，2009.

[3]中華人民共和國建設(shè)部.城市熱力網(wǎng)設(shè)計規(guī)CJJ34-2010[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.