遠程智能型換熱站自動控制系統(tǒng)

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)是城市的基礎設施之一，也是城市現代化水平的重要標志。發(fā)展集中供熱對節(jié)能減排、改善環(huán)境質量、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，借助現代通訊網絡，收集供熱系統(tǒng)的信息，集中監(jiān)視、分級管理、綜合分析、協調調度、實現安全運行、環(huán)保達標，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，加上通訊網絡的普及，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到二次網的熱量交換。換熱站監(jiān)控系統(tǒng)可對熱網的溫度、壓力、流量、開關量等信號進行采集測量、控制、遠傳。實時監(jiān)控一次網、二次網溫度、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，調節(jié)一次供水調節(jié)閥來控制二次網的供水溫度（可手動、自動控制），達到按需供熱，實現氣候補償，進行分時、分區(qū)控制，實現變頻器的精準、節(jié)能控制，進而實現供熱全網熱量平衡及節(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)、數據服務器、打印機、數據交換機）通過GPRS設備或光纖環(huán)網交換機完成現場各換熱站的數據采集、集中顯示、各個工藝參數的遠程設定、遠方啟停運行、設備保護功能的監(jiān)控、歷史數據的記錄，實現遠方傳輸、遠程控制?，F場控制部分包括下位機可編程邏輯控制器設備（PLC）及編程、觸摸屏及編程、與PLC設備的通訊鏈接。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節(jié)、二次網的定壓補水、設備運行、監(jiān)控保護、數據存儲等功能。通訊部分通過GPRS或光纖環(huán)網實現數據的上傳、下傳、網絡系統(tǒng)數據共享。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、采集參數的顯示，輸入參數設定，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、流量數據的采集、記錄、計算及人工智能控制，實現時序控制和復雜的邏輯控制，系統(tǒng)可以集成多種通訊接口，適用于GPRS和光纖內部網絡通訊。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。本設計采用結構化編輯方式編輯下位機程序，把結構相似、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，實現了具有特色的智能PID調節(jié)，只要給這些模塊賦予不同的參數，即可實現溫度調節(jié)、定壓補水、運行保護、數據監(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，適應不同的系統(tǒng)管理、控制功能。在上位機上可實現對系統(tǒng)各項參數的集中顯示，動態(tài)顯示各換熱站、各種設備的運行狀態(tài)。通過上位機的軟按鈕可以遠程設定某個換熱站的電動調節(jié)閥門的開度、出水溫度、水泵的運行頻率、定壓補水數值、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)，在開啟或關閉設備時也必須輸入密碼才能實現遠程控制，同時事件記錄界面會記錄操控設備的用戶名和操控時間，做到負責到人。當設備出現故障時，上位機啟動聲光報警信號，通知當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 網絡通訊功能

目前普遍應用的通訊方式有GPRS和光纖局域網2種。GPRS通訊通過手機流量卡，經過無線傳輸實現數據互聯。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。光纖局域網通訊是通過電訊部門搭建的光纖局域網絡實現數據互聯。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、可傳輸數據、視頻。供熱光纖局域網如圖7所示，依托于方便、快捷的數據網絡通訊功能，上傳各換熱站的數據信息，下傳遠程監(jiān)控的數據指令，設定工藝運行參數，保證熱網系統(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、人工設定、不利點跟蹤、氣候的變化自動調節(jié)等功能。應用PLC的豐富算法和控制功能，根據室外溫度的變化、不利點溫度和當地熱負荷（曲線可以進行偏差修正），將一天中溫度設定值的變化規(guī)律引入控制算法，計算出二次網側的供熱溫度設定值，將實測供熱溫度和設定值比較后，進行智能PID閉環(huán)調節(jié)，控制器輸出信號至一次網流量電動調節(jié)閥門，使二次網供水溫度達到控制要求，實現經濟、合理、舒適供熱。溫度調節(jié)控制原理及一天中設定值的變化規(guī)律如圖8、圖9所示。

圖8 溫度調節(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 一天中設定值的變化規(guī)律Fig.9 Variation of settings in the day

3.2 二次網差壓及補水控制

實現二次網供/回水壓力差值智能PID控制，從而保證最不利點正常供暖。壓差設定值可根據經驗參數或補償曲線設定補水泵變頻控制。

自動補水是由二次網側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定值比較后輸出一個控制信號，通過智能PID控制來調節(jié)補水泵的轉速，保證二次熱網的壓力，從而實現二次網回水自動補給。補水定壓的結構如圖10所示。

圖10 補水定壓的結構Fig.10 Hydrating constant pressure diagram

3.3 保護功能

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

異常斷電保護[2]：停電后自動關閉電動調節(jié)閥，切斷熱源，控制器及變頻器自動復位并使各種設定參數和運行狀態(tài)參數保持原斷電前設置。

超溫保護[3]：二次網供水溫度超過80℃（操作面板可調設定值）時，一級網側電動調節(jié)閥關閉。一次網回水溫度超過70℃（操作面板可調設定值）時啟動高限制保護，以一級網回水溫度為目標控制電動調節(jié)閥門開度。一次網側供水溫度超過設定值時立即關閉一級網側電動調節(jié)閥并報警。

超壓保護：二次網供水壓力超過設定超高限值（操作面板可調設定值）循環(huán)泵停止運行并關閉一次網側電動調節(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定。經過搭建這樣的遠程智能型換熱站自動控制系統(tǒng)，最終可以實現換熱站的無人值守、智能控制、安全運行。

4 結語

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

[1]吳世磊.熱力站設計與運行[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部.城市熱力網設計規(guī)CJJ34-2010[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.