董 強

(太原市熱力公司東山分公司，山西 太原 030013)

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新技術下無人值守換熱站系統(tǒng)的設計

董 強

(太原市熱力公司東山分公司，山西 太原 030013)

對集中供熱工程的特點及設計要求進行了分析，從新型的自動化控制技術和網(wǎng)絡技術兩方面，提出了采用網(wǎng)絡化的無人值守換熱站系統(tǒng)的設計，提高了企業(yè)效益并解決了運行精度方面的需求，為今后同類工程提供參考。

無人值守換熱站系統(tǒng)，集中供熱，網(wǎng)絡技術，中心控制室

1 集中供熱面臨的形式

集中供熱是當今使用最多，負荷面積大，控制方便的供熱方式。其結構為:熱源、一次管網(wǎng)、換熱站、二次管網(wǎng)、用戶。熱能由熱源產(chǎn)生通過一次管網(wǎng)輸送到換熱站，由換熱站換熱后輸送給用戶。上述流程中熱源和換熱站都有著復雜的運行系統(tǒng)，電器設備相互按需協(xié)作運行是節(jié)能降耗的前提條件。供熱面積大、用戶地域分布廣、加壓設備負荷、用戶管道承壓的差異性決定了換熱站種類和數(shù)量較多。一個換熱站需要6個人員才能保證值班運行。一個熱網(wǎng)系統(tǒng)需要很多的擁有技術資格的運行人員才能保證熱網(wǎng)的運行。對于熱力企業(yè)減少投入的人工成本和降低人員的損耗是經(jīng)濟方面迫不及待的問題。綜上所述需要設計一個無人值守換熱站系統(tǒng)。其特點是換熱站能實現(xiàn)自動化無人值守運行、換熱站與熱源和換熱站與換熱站之間能進行自動化通訊。

2 無人值守換熱站系統(tǒng)的分析

無人值守換熱站系統(tǒng)的結構分為：中心控制室部分、片區(qū)中心站部分、換熱站就地控制部分、網(wǎng)絡通訊部分、外網(wǎng)拓展部分。下文分別分析和設計這五部分內(nèi)容。

2.1 中心站控制室

中心站控制室主要完成對各換熱站就地控制的監(jiān)控功能、對整個系統(tǒng)進行統(tǒng)一決策。系統(tǒng)流程：中控室服務器利用上位組態(tài)王軟件采集網(wǎng)絡上每個換熱站就地的實時數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過全網(wǎng)平衡軟件分析后，服務器給出控制數(shù)據(jù)發(fā)送到每個熱力站的PLC(可編程邏輯控制器，是一種采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程)。PLC做出響應調節(jié)換熱站的一次網(wǎng)回水電動閥門。使二次網(wǎng)溫度高的換熱站較一次網(wǎng)閥門關小，減少這個站的流量。同時開大較低溫度換熱站的一次網(wǎng)閥門，讓其得到更多的熱能。這樣動態(tài)的控制達到全網(wǎng)平衡的目的。同時中控室還具有生產(chǎn)報警功能，各換熱站PLC發(fā)送給中控室服務器的壓力、溫度、液位信號與組態(tài)軟件中的警報設定值比較，產(chǎn)生報警。通過上位組態(tài)軟件調節(jié)補水泵啟停、變頻器頻率來讓換熱站系統(tǒng)正常運行。中控室的組成：服務器、防火墻、交換機、路由器、網(wǎng)絡終端機、電腦終端。

2.2 片區(qū)中心站

目前大城市化的發(fā)展速度越來越快，城市覆蓋的面積以驚人的速度增長。供熱居民區(qū)不僅數(shù)量多，而且分布廣。實際工作中，一個中心站控制室的人員面對300個或300個以上的熱力站進行管理捉襟見肘。系統(tǒng)設計引入片區(qū)中心站概念，把龐大的供熱區(qū)域分解成為幾個片區(qū)。其功能是將中控室的數(shù)據(jù)發(fā)送到片區(qū)中心，操作員通過對片區(qū)內(nèi)各站數(shù)據(jù)的分析，快速做出反應。同時無人值守換熱站加裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，片區(qū)中心站可以分擔中控室對視頻監(jiān)控的工作。

2.3 換熱站就地控制系統(tǒng)

換熱站系統(tǒng)的結構為：一次網(wǎng)供回水管路、換熱器、二次網(wǎng)供回水管路、循環(huán)泵、補水泵或一次直接補二次網(wǎng)電磁閥。根據(jù)工藝流程控制將系統(tǒng)分為以下幾部分。

2.3.1 換熱站就地監(jiān)控系統(tǒng)

以換熱站就地控制器為核心，現(xiàn)場的溫度、壓力、流量、熱量、閥門開度、泵的啟停信號出送到控制器，由其進行A/D轉換并判斷處理，實現(xiàn)就地控制。

2.3.2 現(xiàn)場儀表和執(zhí)行原件

現(xiàn)場儀表和執(zhí)行原件包括：壓力表、溫度表、液位計、流量計、熱量計、液位、變頻器、電動閥閥門。

2.3.3 通訊系統(tǒng)

通訊系統(tǒng)可采用無線通訊、大型局域網(wǎng)通訊、大型局域網(wǎng)加互聯(lián)網(wǎng)的拓展模式通訊。

2.4 換熱站就地信息采集原理

1)溫度方面利用PT100熱電阻的特性：它的阻值跟溫度的變化成正比。PT100的阻值與溫度變化關系為:當PT100溫度為0 ℃時它的阻值為100 Ω，在100 ℃時它的阻值約為138.5 Ω。它的工業(yè)原理:當PT100在0 ℃時它的阻值為100 Ω，它的阻值會隨著溫度上升而成勻速增長的?，F(xiàn)場PT100熱電阻通過變送器將變化的電阻信號轉換成電流信號由通信電纜傳輸給就地控制柜，信號由控制柜中的AI模塊接受并轉化為數(shù)字信號傳輸給PLC。PLC將數(shù)字信號按比例關系轉化到寄存器中。就地控制觸摸屏和中控室服務器從相應的寄存器讀取數(shù)據(jù)處理后顯示到屏幕。

2)壓力方面：利用壓力變送器的特性：介質壓力直接作用于敏感膜片上，分布于敏感膜片上的電阻組成的惠斯通電橋，利用壓阻效應實現(xiàn)了壓力量向電信號的轉換，通過電子線路將敏感元件產(chǎn)生的毫伏信號放大為工業(yè)標準信號。信號通過AI模塊到達PLC。

3)液位可采用壓力變送器測量，根據(jù)水的密度計算出壓力下水柱的高度。

4)循環(huán)泵變頻器方面：變頻器的通訊模塊發(fā)出的電流、頻率、故障信號，通過AI模塊到達PLC。

2.5 換熱站自動化控原理

PLC通過對采集信息的處理，根據(jù)程序設定做出反應。

1)補水泵啟停：補水泵一般對二次管網(wǎng)的回水管進行補水。PLC將采集到各二次網(wǎng)壓力和程序設定值比較，如果現(xiàn)場值低于下限設定值則PLC發(fā)出信號到DO模塊，由DO模塊處理并發(fā)出24 V電流信號作用補水泵電機繼電器吸合，達到補水功能。如果現(xiàn)場值高于程序設定上限則中斷電流信號，補水停止。這樣完成了一次自動補水。

2)循環(huán)泵的控制：中控室服務器或觸摸屏控制器對PLC發(fā)出信號，PLC接收并處理將啟停和頻率信號傳輸給變頻器，變頻器接收并完成動作。部分采用了變頻器的補水泵配合補水程序能實現(xiàn)恒壓供水。

3)一次網(wǎng)回水電動閥門的控制：全網(wǎng)平衡軟件通過服務器給予PLC調節(jié)電動閥的信號。PLC處理信號后發(fā)送給AO模塊進行數(shù)模轉換，AO模塊將處理后的模擬信號傳輸給電動閥，電動閥動作。這樣完成了一次全網(wǎng)平衡調節(jié)。

2.6 通訊部分

隨著網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，無人值守換熱站系統(tǒng)可采用兩種通訊方式分別為：GPRS DTU方式和基于通信公司網(wǎng)絡架設的專線局域網(wǎng)9(之后簡稱專線局域網(wǎng))。GPRS DTU是一種物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)終端，利用公用GPRS網(wǎng)絡為用戶提供無線長距離數(shù)據(jù)傳輸功能。是專門用來將串口數(shù)據(jù)轉換為IP數(shù)據(jù)或將IP數(shù)據(jù)轉換為串口數(shù)據(jù)，通過無線通信網(wǎng)絡進行傳送的無線終端設備。專線局域網(wǎng)是一種有線網(wǎng)絡，在通信公司的網(wǎng)絡上架設企業(yè)自己獨立的局域網(wǎng)。GPRS DTU方式用于無人值守換熱站系統(tǒng)優(yōu)點在于：DTU提供標準的RS-232接口，工業(yè)標準設計，可直接與下位機設備透明通訊?？梢允狗荌P系統(tǒng)通過串口輕松實現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡和Internet接入并提供安全、透明的傳輸信道。缺點：由于全網(wǎng)平衡控制系統(tǒng)需要實時控制，受無線網(wǎng)絡波動和數(shù)據(jù)滯后影響大。專線局域網(wǎng)方式的優(yōu)點：構架網(wǎng)絡時，只要換熱站附近有通信公司機站就能將換熱站設備有線接入網(wǎng)絡。有線網(wǎng)絡傳輸穩(wěn)定，能滿足系統(tǒng)高精度的要求。

2.7 外網(wǎng)拓展部分

移動設備的飛速發(fā)展使工作變得高效、方便、快捷。工作人員通過安裝有下位軟件的移動設備，無論是在辦公區(qū)域、道路、車輛等位置都能完成無人值守換熱站系統(tǒng)的操作。外網(wǎng)拓展部分根據(jù)以上需求出現(xiàn)了。其內(nèi)容主要是：通過有線或無線訪問Internet網(wǎng)，由通信公司制定的無人值守供熱系統(tǒng)局域網(wǎng)絡的外網(wǎng)端口進入局域網(wǎng)。設計網(wǎng)絡時從網(wǎng)絡安全方面考慮，局域網(wǎng)內(nèi)的用戶不能訪問Internet網(wǎng)。由外網(wǎng)進入外網(wǎng)端口要有IP注冊管理、訪問權限限制、賬戶密碼注冊。外網(wǎng)功能的拓展不僅對熱力企業(yè)人員工作效率有提升，而且用戶可以接收發(fā)布到外網(wǎng)上的運行數(shù)據(jù)，從而降低了多年存在的用戶查詢不便的問題。

3 結語

本文分析和設計了集中供熱運行現(xiàn)狀，根據(jù)目前先進的自動控制技術和高速、多功能的網(wǎng)絡，針對快增長的供熱需求。設計出一個具有網(wǎng)絡化的無人值守供熱系統(tǒng)。分析了換熱站自動化控制原理、全網(wǎng)平衡控制架構、通訊網(wǎng)絡的選擇以及未來網(wǎng)絡的應用方向。這個系統(tǒng)經(jīng)過實踐證明是有效可行的。

[1] 尚偉紅.供熱工程[M].北京：北京理工大學出版社,2017.

[2] 王萬良.自動控制原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[3] 王冀魯.網(wǎng)絡技術基礎與Internet應用[M].北京：清華大學出版社，2009.

On design for unattended heat exchange station in new techniques

Dong Qiang

(DongshanBranch,TaiyuanThermalPowerCompany,Taiyuan030013，China)

The paper analyzes the features and design demands for the central heat-supply projects, points out the internet design for the unattended heat exchange station from the new automatic control technique and network techniques, so as to improve the enterprise benefits and solve the demands for the operation accuracy, so as to provide some reference for similar projects.

unattended heat exchange station, central heat-supply, internet technique, central control room

1009-6825(2017)17-0109-03

2017-03-20

董 強(1983- )，男，助理工程師

TU995

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