李瀚軒 太原市熱力公司

1 引言

人工智能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的基礎(chǔ)。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，尤其在我國(guó)北方，供熱系統(tǒng)已成為冬季室內(nèi)采暖的重要內(nèi)容，換熱站作為系統(tǒng)熱源與熱負(fù)荷之間的媒介，對(duì)系統(tǒng)的供熱質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。但是，在目前傳統(tǒng)的采暖系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)大多采用閥門(mén)手動(dòng)操作，完全由既有熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)決定，其問(wèn)題是能耗大，勞動(dòng)強(qiáng)度高，操作自動(dòng)化程度低。本文提出了一種基于PLC、變頻器和工業(yè)組態(tài)軟件的換熱站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從而達(dá)到了節(jié)能、熱效率高和運(yùn)行自動(dòng)化的目的。

2 工藝概況和控制要求

為更全面的對(duì)換熱站進(jìn)行控制，首先提出了換熱站工藝概況和控制要求，然后提出了換熱站控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。

2.1 換熱站工藝概況

換熱站由一個(gè)換熱器、3個(gè)循環(huán)泵、2個(gè)補(bǔ)給泵和電動(dòng)控制閥組成（以一般情況下的單系統(tǒng)站舉例）。通過(guò)安裝在室內(nèi)和室外的溫度傳感器，調(diào)節(jié)進(jìn)入高溫水流量完成熱交換過(guò)程。其中換熱器是供熱系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，它是一種由高溫水加熱庭院網(wǎng)水的熱交換器。

2.2 控制要求

控制系統(tǒng)的主要控制需求如下。

（1）泵。包括3個(gè)循環(huán)泵（2個(gè)運(yùn)行，1個(gè)備用）和2個(gè)補(bǔ)給泵（1個(gè)運(yùn)行，1個(gè)備用）。循環(huán)電機(jī)一種為工頻驅(qū)動(dòng)，另一種為變頻驅(qū)動(dòng)，各功率75kW；補(bǔ)充電源中，一個(gè)由工頻驅(qū)動(dòng)，另一個(gè)由變頻驅(qū)動(dòng)，各有3kW功率?？刂菩盘?hào)應(yīng)由供水和回水之間的壓差發(fā)出。水泵連接變功率時(shí)可無(wú)級(jí)調(diào)速。

（2）參數(shù)顯示。顯示參數(shù)包括供水溫度顯示、回水溫度顯示、室內(nèi)溫度顯示、室外溫度顯示、供水壓力顯示、回水壓力顯示。

（3）蝶閥驅(qū)動(dòng)。兩個(gè)蝶閥可在整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)或停止時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉。

（4）電動(dòng)閥門(mén)控制。根據(jù)室內(nèi)外溫度傳感器的信號(hào)，連續(xù)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度，將供水溫度穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值內(nèi)。

（5）人機(jī)界面需求。人機(jī)界面可顯示換熱站工藝流程圖及主要工藝參數(shù)，并可通過(guò)該界面?zhèn)魉椭噶睢?/p>

（6）保護(hù)功能。當(dāng)換熱系統(tǒng)不運(yùn)行時(shí)，循環(huán)泵應(yīng)停止運(yùn)行；當(dāng)管網(wǎng)卻水時(shí)，補(bǔ)水泵自動(dòng)運(yùn)行；如果管網(wǎng)壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，補(bǔ)水泵自動(dòng)停止；水箱液位不足時(shí)，補(bǔ)水泵自動(dòng)停止或無(wú)法啟動(dòng)。

3 控制系統(tǒng)的硬件選擇

根據(jù)上述控制要求，控制系統(tǒng)的控制器既可以處理繼電器信號(hào)，也可以處理模擬信號(hào)，具有模擬量的閉環(huán)調(diào)節(jié)能力。同時(shí)，水泵可以在變頻工況下運(yùn)行，因此換熱站控制系統(tǒng)的硬件選擇十分重要。

PLC作為主控制器。一些經(jīng)驗(yàn)豐富的電氣工程師知道，PLC/PC（Program Controller）是一種流行的工業(yè)計(jì)算機(jī)，它不僅能完成邏輯控制，還能完成模擬量回路調(diào)節(jié)、運(yùn)動(dòng)控制等許多高級(jí)功能。根據(jù)組件的輸入、輸出和控制系統(tǒng)的需要，選擇FXIN-60MR微三菱FX系列PLC，擁有36個(gè)輸入和24輸出，采用先進(jìn)的指令如PID指令調(diào)整[2]，因?yàn)槟M信號(hào)的特性，應(yīng)該擴(kuò)展PLC模擬輸入/輸出功能模塊，如FX2N-4AD（4）和FX2N-4DA（4）等。一方面，采用4AD是一個(gè)12位高分辨率的4路模擬輸入模塊，可以接收0+10V電壓信號(hào)，0-20mA或4-20mA電流信號(hào)。另一方面，選用的4DA可發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)和/或電流信號(hào)，具有4路12位高分辨率。需要說(shuō)明的是，為了避免工作現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)烈的電磁干擾，必須采用電流輸入/輸出（4-20mA）的接線(xiàn)形式[3]。

變頻器無(wú)級(jí)調(diào)速。目前，逆變器作為一種進(jìn)口的電力電子轉(zhuǎn)換器，可以將連續(xù)的工頻轉(zhuǎn)換為連續(xù)的變頻。因此，該設(shè)備可以很容易地達(dá)到節(jié)能、降耗和降噪的目的。該控制系統(tǒng)選用了ABB公司ACS510系列變頻器，具有直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）和先進(jìn)應(yīng)用宏等優(yōu)點(diǎn)。其主要優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)在于：采用直接勵(lì)磁可以獲得最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩（200%法向轉(zhuǎn)矩）；利用主從函數(shù)可應(yīng)用于多個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；輸入輸出可編程功能；調(diào)速精度高；保護(hù)報(bào)警措施完善。由于該逆變器的這些優(yōu)點(diǎn)，可以很容易地實(shí)現(xiàn)水泵的無(wú)級(jí)調(diào)速。在ACS510系列中有很多應(yīng)用宏，但這里我們應(yīng)該只需要選擇手動(dòng)/自動(dòng)宏。

IPC作為監(jiān)控接口。工控機(jī)具有很強(qiáng)的兼容性、擴(kuò)展性和可靠性，可方便地通過(guò)RS-232串口與PLC進(jìn)行連接。硬件配置選用研華IPCH610系列作為時(shí)尚的國(guó)產(chǎn)工業(yè)組態(tài)軟件HMIMCGS（監(jiān)控生成系統(tǒng)）運(yùn)行在研華IPC上。利用該人機(jī)界面，可以方便、直觀(guān)、形象地實(shí)現(xiàn)監(jiān)控過(guò)程的可視化。采用傳感器/換能器、模擬輸入/輸出模塊、PLC和執(zhí)行器，如逆變器、電動(dòng)閥等，可精確實(shí)現(xiàn)蒸汽壓力的回路調(diào)節(jié)，并可對(duì)所有測(cè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行測(cè)量[4]。

4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

基于模塊化編程思想，整個(gè)程序結(jié)構(gòu)可分為初始化功能、上位工控機(jī)通信功能、繼電器控制功能、模擬采樣、模糊PID調(diào)節(jié)功能和保障功能等模塊。PLC的LAD圖編程流程圖如圖1所示。在這些模塊化功能中，模糊PID調(diào)節(jié)功能是值得一提的。在某些情況下，PLC的PID指令的使用并沒(méi)有達(dá)到我們的預(yù)期；因此，根據(jù)模糊控制理論及其應(yīng)用，從室內(nèi)外溫度的偏差和偏差加速兩個(gè)方面，自行編制了蒸汽壓力模糊PID調(diào)節(jié)程序。

圖1 PLC的LAD圖編程流程圖

人機(jī)界面配置。為了美觀(guān)和個(gè)性化的人機(jī)操作體驗(yàn)，采用MCGS-監(jiān)控控制生成軟件。該工業(yè)組態(tài)軟件具有非?？焖?、簡(jiǎn)單的組態(tài)開(kāi)發(fā)過(guò)程，在MCGS開(kāi)發(fā)環(huán)境中可通過(guò)RS422/232串口實(shí)現(xiàn)PLC與上位工控機(jī)之間的雙向高速通信，創(chuàng)建了所有需要的窗口和圖片，包括工藝流程主窗口、工藝參數(shù)顯示窗口、關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置窗口等。在IPC運(yùn)行MCGS時(shí)，通過(guò)這些精美的圖片和動(dòng)畫(huà)，可以完成生動(dòng)活潑的人機(jī)交互。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)基于FX系列PLC、MCGS和ABB變頻器的換熱站控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了蒸汽驅(qū)動(dòng)加熱器的壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)。并能滿(mǎn)足節(jié)能、熱效率高、設(shè)備噪聲低的設(shè)計(jì)要求。最后通過(guò)實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證，該系統(tǒng)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，大大提高了換熱站的自動(dòng)化水平和壓力控制精度，滿(mǎn)足了節(jié)能環(huán)保驅(qū)動(dòng)的設(shè)備要求。