智慧換熱站自動控制系統設計研究論文
摘要：智慧換熱站的自動控制系統由監控中心、通訊網路、本地監控站（現場控制層）3部分組成。本文重點介紹了智慧換熱站現場控制層的硬體設計，結合換熱站的主要調節引數二次側的供水溫度、供回水壓差和回水壓力，給出了智慧換熱站主要控制策略。
關鍵詞：智慧換熱站；PLC；智慧PID；變頻器
集中供熱系統是城市重要的基礎設施之一，也是城市現代化水平的重要標誌[1]。換熱站作為連線熱源與使用者的重要紐帶，起著熱量匹配、轉換和輸配的功能，其安全、可靠、穩定、經濟節能執行直接影響熱源效率及供熱質量。鑑於此，智慧換熱站利用現代工業自控技術、計算機技術、通訊技術、物聯網技術、現代資訊處理技術，實施更科學、更規範的監控管理，實現由傳統的人工操作模式向現代化、高度整合化、自動化、智慧化的模式轉變，最終達到提高供熱質量，節約能源的目的。本文是以保定市老城區集中供熱改造設計為例。
1換熱站工作原理
換熱站就是換熱的場所，它連線一次網和二次網，就像一個變壓器一樣把一次網的高溫熱量換熱給二次網的熱水再供給使用者。換熱站透過熱源熱水在一次網迴圈將熱量傳送給二次網中的迴圈水，經過換熱站的一次網熱水回到熱源被加熱後重復下一次迴圈；吸收了一次網熱量的二次網迴圈水由換熱站迴圈泵加壓後送至各供熱使用者，流經使用者散熱後的二次網迴圈水返回吸收一次網熱量，重複上一次迴圈週而復始。換熱站透過流量計、溫度感測器、壓力感測器等感測器採集訊號送至PLC，並上傳資料資訊；同時，PLC還可對迴圈水泵、補水泵等實現遠端控制和自動控制，從而實現換熱站的無人值守[2]。PLC是熱量交換，熱量分配及系統監控、調節的樞紐，在供熱期間透過調整和保持熱媒引數（溫度、壓力和流量等），進行分時、分割槽節能控制和氣候補償節能控制，滿足按需供熱，實現供熱、用熱全網熱量平衡和節約能源。
2智慧換熱站控制系統組成
智慧換熱站的自動控制系統由監控中心、通訊網路、本地監控站（現場控制層）3部分組成[3]，見圖2。監控中心硬體由伺服器、工作站、集中顯示系統、電源系統、印表機和相應的網路通訊裝置等組成。監控中心能夠實現對供熱系統監控執行、排程和能耗管理、故障診斷和報警處理、資料儲存和統計及分析、集中顯示等功能。本地監控站（現場控制層）由PLC、感測器、變送器、執行機構、網路通訊裝置、人機介面等組成，能夠實時採集各換熱站一、二次網的壓力、溫度、流量、液位等引數，監視和調控裝置執行。通訊網路將監控中心、各個換熱站、熱源、管道監控節點等連線成一個整體，是熱網監控系統的橋樑和紐帶。
3智慧換熱站現場控制層硬體設計
換熱站現場控制系統由PLC控制器、觸控式螢幕、電動調節閥、變頻器、壓力、溫度、流量變送器，通訊模組等以及影片攝像機、交換機等部件構成[4]。控制核心PLC採用德國西門子公司的S7-300系列，其模組化的結構、易於實現分散式的配置、電磁相容性強、抗震動衝擊性能好，在供熱領域應用廣泛。中央處理單元採用CPU315-2DP，自身帶有Profibus-DP主/從現場匯流排通訊介面；溫度測量模組採用SM331AI8×RTD8點輸入熱電阻專用模組；模擬量輸入模組採用SM331AI8×（9～14）bit，輸入精度9～14位可調；模擬量輸出模組採用SM332AO8×12bit，輸出的電流和電壓可調整；數字量輸入模組和輸出模組分別採用16點24VDC的SM321和32點24VDC的SM322。變頻器採用ABB公司的'ACS510系列變頻器，內建RFI濾波器和變感電抗器，具有PID閉環調節功能，變頻器與PLC採用Profibus-DP方式通訊，由PLC控制改變變頻器的輸出頻率，調節迴圈泵與補水泵轉速，實現節能執行。採用西門子TP精智系列觸控式螢幕作為PLC的人機介面，透過觸控式螢幕按鈕可調整和修改PID引數；顯示現場壓力、溫度、流量、液位等訊號，監測迴圈泵、補水泵、調節閥、變頻器等裝置工況；為了方便調節和控制整個工作過程，透過設定報警極限值可進行聲、光報警。影片監控攝像機為網路攝像機，採用光纖以有線方式租用通訊執行商鏈路實現換熱站和監控中心之間執行資料和影片訊號實時傳送，並接受監控中心傳送的指令。智慧換熱站資料採集見圖3。
4智慧換熱站主要控制策略
影響使用者供暖質量的因素主要是供熱系統中水的溫度、管道壓力及流量，調整二次側的供水溫度、供回水壓差和回水壓力就能滿足使用者對供暖的要求，透過對一次網側電動調節閥以及對二次網側迴圈泵和補水泵的控制即可實現對以上各引數的調節[5]。
4.1二次網供水溫度的調節
根據供熱物件的特性和本地的氣候條件，給出一條二次供水溫度與自然時間及室外溫度之間的對應曲線。按照當地熱負荷（曲線可以進行偏差修正）、室外溫度的變化及不利點溫度，利用PLC的強大控制功能和豐富演算法，結合一天中溫度設定值的變化規律對控制演算法進行修正，根據修正後的控制演算法得出二次網側供熱溫度的設定值，把設定值和實測供熱溫度比較後，送入控制器，執行智慧PID閉環調節，改變一次網電動調節閥的開度，實現一次側流量的量調節和二次側供水溫度的質調節，從而達到二次網供水溫度的要求。
4.2二次網供回水壓差控制
為了滿足將熱水供至管路末端使用者，必須在換熱站二次網設定迴圈泵。二次網供回水要保持一個恆定壓差來保證供回水的流量，使熱量傳送給使用者。因此，迴圈泵須採用變頻控制。由壓力感測器檢測供回水壓差訊號並與設定值比較，透過變頻器採用智慧PID方式調節迴圈泵的轉速，使得二次網供回水的壓差保持恆定，在保證最不利點正常供暖的前提下，既實現了分時段變流量功能，又有效地節約了電能。壓差設定值可根據經驗引數或經驗曲線進行設定。
4.3二次網回水定壓控制
熱水管網常會發生漏水現象，導致水壓不穩定，為了維持管網恆壓點壓力，在二次管網回水處設定一臺回水壓力變送器，將回水壓力訊號輸送至補水泵變頻器，變頻器根據回水壓力設定值，透過內部PID控制調節補水泵的轉速，保持二次熱網的水壓恆定。
5結語
透過採用電子資訊科技、PLC控制技術和變頻調速技術等，智慧換熱站控制系統實現了對溫度、壓力、流量等引數的自動控制，不僅提高了供熱系統的自動化程度及控制精度，還節省了大量的人力和物力。透過遠端通訊網路，熱力網監控系統實現了對換熱站的遠端遙測、遠端遙信、遠端遙控，利用影片系統還可實時監視換熱站現場情況，最終達到無人值守，起到了減人增效的效果。
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