傅振鐸
（北京和利時自動化驅(qū)動技術(shù)有限公司，北京，100176）
摘 要 本文針對換熱站控制系統(tǒng)進行了研究，開發(fā)設(shè)計了一套基于PLC控制器組成的換熱站自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用PID控制策略，對換熱站的一次網(wǎng)、二次網(wǎng)和補水系統(tǒng)進行實時的數(shù)據(jù)采集和控制，經(jīng)過實際運行驗證，系統(tǒng)穩(wěn)定，效果良好。
關(guān)鍵詞 集中供熱系統(tǒng)；換熱站控制系統(tǒng)；PLC
Development and Implement of Heat Exchanger Control System
Zhenduo Fu
（Beijing Hollysys Automation and Drive Co., Ltd，Beijing, 100176）
Abstract This paper discusses the heat exchanger control system, and develops a PLC based automatic control system with PID control method. The system accomplishes the realtime data acquisition and equipment control of the primary network, the secondary network and the water supply system. This system has been realized with a stable and good performance.
Key Words Central Heating Supply System; Control system of heat exchanger; PLC
1 引言
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)代化水平的標(biāo)志之一。發(fā)展集中供熱對節(jié)約能源、改善環(huán)境質(zhì)量、提高人民生活水平都具有重要的意義。因其具有良好的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟效益，故而在城市發(fā)展和完善集中供熱中是非常必要和迫切的。
城市集中供熱信息管理調(diào)度及自動化控制系統(tǒng)對于保證供熱系統(tǒng)優(yōu)質(zhì)供熱、安全運行、經(jīng)濟節(jié)能、環(huán)境保護具有十分重要的作用。通過建設(shè)城市集中供熱信息管理調(diào)度及自動化控制系統(tǒng)，可收集到全市供熱工程的全部主要信息，集中監(jiān)視、綜合分析、協(xié)調(diào)調(diào)度、提高效率，使供熱行業(yè)管理從粗放型向集約型轉(zhuǎn)變，促使供熱行業(yè)控制水平整體提高。
降低熱能損失是供熱行業(yè)節(jié)能最主要方向，本文的目的在于提供供熱控制方案，通過自動控制使熱損失降到最低。通過提供工藝控制功能庫，保證滿足負載的同時使這些設(shè)備在相應(yīng)工藝條件下，發(fā)揮最大的效率，最大程度地降低能源的損耗。
2 換熱站的工作原理
集中供熱又稱區(qū)域供熱，以熱水和蒸汽為載能體，通過管網(wǎng)為一個區(qū)域的所有熱用戶供熱。通常是由一個和多個供熱設(shè)備集中供熱，例如供熱鍋爐、熱電聯(lián)產(chǎn)裝置、溫泉地?zé)帷⒌蜏毓岷朔磻?yīng)堆的熱源及工業(yè)余熱等。集中供熱系統(tǒng)是由熱源、熱用戶和熱網(wǎng)三部分組成。熱源負責(zé)制備熱媒，熱力網(wǎng)負責(zé)熱媒的輸送，熱用戶是指用熱場所。集中供熱系統(tǒng)的熱用戶有供暖、通風(fēng)、熱水供應(yīng)、空氣調(diào)節(jié)及生產(chǎn)工藝等用熱系統(tǒng)。
各熱用戶用熱系統(tǒng)的熱負荷，按其性質(zhì)可分為兩大類:季節(jié)性熱負荷和常年性熱負荷。熱水供熱系統(tǒng)按系統(tǒng)的密閉性可分為開式和閉式兩種型式。在閉式系統(tǒng)中，熱網(wǎng)的循環(huán)水僅作熱媒，供給熱用戶熱量，而不從中取出使用。在開式系統(tǒng)中，熱網(wǎng)循環(huán)水部分或全部從熱網(wǎng)中取出，直接用于生產(chǎn)或熱水供應(yīng)。
由于供熱系統(tǒng)中熱用戶的熱負荷并不是恒定的，如供暖通風(fēng)熱負荷隨室外氣象條件變化，熱水供應(yīng)和生產(chǎn)工藝用熱隨使用條件等因素變化。要保證供熱質(zhì)量，滿足各熱用戶要求，并使熱能的制備和輸送合理，就要對供熱系統(tǒng)進行運行調(diào)節(jié)一一也就是供熱調(diào)節(jié)。
在城市集中熱水供熱系統(tǒng)中，供暖熱負荷是系統(tǒng)最主要的熱負荷，甚至是唯一的熱負荷。因此，在供熱系統(tǒng)中，通常按照供暖熱負荷隨室外溫度的變化規(guī)律，作為供熱調(diào)節(jié)的依據(jù)。供熱調(diào)節(jié)的目的，在于使供暖用戶的散熱設(shè)備的放熱量與用戶熱負荷的變化規(guī)律相適應(yīng)，以防止供暖熱用戶出現(xiàn)溫度過高或過低。
根據(jù)供熱調(diào)節(jié)地點不同，供熱調(diào)節(jié)可分為集中調(diào)節(jié)、局部調(diào)節(jié)和個體調(diào)節(jié)三種調(diào)節(jié)方式。集中調(diào)節(jié)在熱源處或供熱網(wǎng)處進行。局部調(diào)節(jié)在換熱站或熱用戶引入口進行，個體調(diào)節(jié)直接在散熱設(shè)備處進行調(diào)節(jié)。集中供熱調(diào)節(jié)容易實施，運行管理方便，是最主要的供熱調(diào)節(jié)方法。
集中供熱系統(tǒng)的換熱站是供熱網(wǎng)路與熱用戶的連接場所，在其內(nèi)安裝有與用戶連接的有關(guān)設(shè)備、管道、閥門、儀表和控制裝置。它的作用是根據(jù)熱網(wǎng)工況和不同的條件，采用不同的連接方式，將熱網(wǎng)輸送的熱媒加以調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換，向熱用戶系統(tǒng)分配熱量以滿足用戶的需求;同時還應(yīng)根據(jù)需要，進行集中計量、檢測供熱熱媒的參數(shù)和數(shù)量。根據(jù)規(guī)模和設(shè)置地點不同，換熱站又可分為首站、區(qū)域換熱站、集中換熱站和用戶換熱站。熱力輸配網(wǎng)絡(luò)控制的重點是換熱站的控制。
換熱站主要完成從供熱一次網(wǎng)到二次網(wǎng)的熱量交換，置換出的二次網(wǎng)的熱水溫度一般在40℃~65℃之間。換熱站監(jiān)控系統(tǒng)可對熱網(wǎng)的溫度、壓力、流量、開關(guān)量等進行信號采集測量、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)，及水箱液位等各個參數(shù)信息，進而對供熱過程進行有效的監(jiān)測和控制。在供熱期間可按室外溫度調(diào)節(jié)二次網(wǎng)供回水溫度（可手動、自動切換），達到按需供熱，實現(xiàn)氣候補償節(jié)能控制；也可以進行分時分區(qū)節(jié)能控制，實現(xiàn)供熱全網(wǎng)熱量平衡及節(jié)約能源。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 換熱站的工作原理
3 換熱站控制系統(tǒng)設(shè)計
現(xiàn)場PLC控制站主要由液晶顯示操作終端和控制系統(tǒng)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，并接受一些參數(shù)設(shè)定的輸入信息。控制系統(tǒng)采用性價比較高的和利時LM系列PLC，包括CPU模塊、I/O模塊，背板等，系統(tǒng)集成多種通訊接口，適用于各種通訊網(wǎng)絡(luò)。
現(xiàn)場PLC控制站主要功能是對各換熱站、供熱沿線各節(jié)點、熱用戶運行參數(shù)（一、二次網(wǎng)溫度、壓力、流量等）、各種設(shè)備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控及采集，并根據(jù)氣象環(huán)境和負荷的變化按預(yù)先設(shè)定的控制策略對換熱站循環(huán)泵、補水泵和調(diào)節(jié)閥進行自動調(diào)節(jié)，來實現(xiàn)換熱機組的完全自動控制。如果有通訊網(wǎng)絡(luò)的支撐，現(xiàn)場監(jiān)控站還可以將反映換供熱運行的數(shù)據(jù)傳送到調(diào)度中心，同時接收調(diào)度中心發(fā)來的調(diào)度控制指令。
LM的連接圖如圖3-1所示。
圖3-1 LM連接圖
4 換熱站控制系統(tǒng)的主要功能
一次網(wǎng)電動調(diào)節(jié)閥控制
換熱站控制系統(tǒng)具有氣候補償和恒溫供水功能，即根據(jù)氣候的變化自動調(diào)節(jié)供熱量。應(yīng)用可編程控制器（PLC），根據(jù)室外溫度的變化和當(dāng)?shù)責(zé)嶝摵汕€，決定二級網(wǎng)側(cè)的供熱量，實測供熱量和設(shè)定值相比較后，進行PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，控制器輸出信號至電動調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥的開度，從而改變一級網(wǎng)側(cè)的流量，實現(xiàn)二級網(wǎng)側(cè)供熱量調(diào)節(jié)。
二次網(wǎng)循環(huán)泵變頻控制
實現(xiàn)二次網(wǎng)供/回水壓力差值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)或經(jīng)驗曲線進行設(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PID控制來調(diào)節(jié)補水泵的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)二次網(wǎng)回水自動補給。
保護功能
失壓保護：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。
斷電保護：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：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120℃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4～20mA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，帶來以下功能效果：
宏觀掌握供熱系統(tǒng)運行狀況、運行質(zhì)量。
保證供熱系統(tǒng)的運行參數(shù)。對熱網(wǎng)的水力工況和熱力工況進行全自動調(diào)節(jié)，解決各換熱站的耦合影響，消除熱網(wǎng)水平失調(diào)，平衡供熱效果。
以節(jié)省總供熱量為目標(biāo)，在滿足熱網(wǎng)用戶基本采暖要求的前提下盡量減少總供熱量，從而達到提高經(jīng)濟效益的目的。
更好地進行供熱系統(tǒng)設(shè)備的維護及管理。及時檢測報告供熱系統(tǒng)故障，做到防微杜漸，防患未然。
為熱網(wǎng)如何經(jīng)濟高效運行提供分析基礎(chǔ)和分析依據(jù)。通過記錄的熱網(wǎng)運行歷史數(shù)據(jù)，在一個采暖期結(jié)束后與前期數(shù)據(jù)進行比較分析，查出主要能耗來源，為今后的節(jié)能改造提供條件。
5 結(jié)論
該套自動化集中監(jiān)控系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：①系統(tǒng)完成溫度、壓力的自動控制，連續(xù)穩(wěn)定運行；②提供完整的人機交互接口，用戶可以通過現(xiàn)場觸摸屏完成對系統(tǒng)的監(jiān)視和操作；③通過控制算法完成供熱的時間與溫度曲線控值，達到節(jié)能目的。
PLC控制系統(tǒng)作控制站，實現(xiàn)了對換熱站或換熱機組的自動控制；實現(xiàn)了良好的人機對話，方便操作人員在觸摸屏上了解現(xiàn)場的各種實時數(shù)據(jù)并進行參數(shù)設(shè)置或手動控制，同時通過PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動故障保護功能；維護人員可以直接從觸摸屏上靈活組態(tài)和方便查找現(xiàn)場設(shè)備故障原因，達到了既顯示直觀又節(jié)省費用的目的。本設(shè)計經(jīng)北京和利時自動化驅(qū)動技術(shù)有限公司在多個熱網(wǎng)項目中具體實施實現(xiàn)，已得到了非常好的實際應(yīng)用效果。
參考文獻
[ 1 ] 曹宏麟，換熱站節(jié)能控制系統(tǒng)研究[J]，山西建筑
[ 2 ] 余寶法、李百紅、趙海恒，供熱系統(tǒng)的自動控制策略[J]，西南交通大學(xué)學(xué)報
[ 3 ] 張潮海、柏長華等，節(jié)能控制技術(shù)在秦皇島熱網(wǎng)中的應(yīng)用[J]，區(qū)域供熱
[ 4 ] 和利時PLC--面向解決方案的PLC[J]，國內(nèi)外機電一體化技術(shù)