城市集中供热无人值守换热站智能控制系统的研究与分析

郭小榕

[摘要] 本套无人值守换热站智能控制系统主要由人机界面-PLC-变频器、光纤以太网组成。重点阐述了二次供水温度的自动化控制回路及具体实施，循环泵补水泵的变频控制方案，通过以太网进行远程监控的数据传输，运行证明程序模块设计合理，算法控制精度高，远程通信网络可靠稳定，节省了大量的煤、电能源，经济效果显著。

[关键词] 换热站：可编程序控制器；PID控制；变频调速；以太网

[DOI] 10.13939/j.cnki.zgsc.2015.30.105

随着人们生活水平的提高，对节能及环境保护的日益重视，近年来城市集中供热得到了迅速发展。本文主要介绍无人值守换热站通过采取自控技术及设备达到控制换热站实现按需供热，对供热系统供、回水温度、循环流量的集中运行调节。整个热力网是双管封闭式供热系统，热用户只取热，不取水。

1 换热站智能控制系统组成

1.1 控制原理

换热站系统采用多个压力和温度传感器分别安装在换热器热介质入口、热介质出口、冷介质入口及冷介质出口等位置，采集现场温度和压力信号。两台循环泵和两台补水泵运行方式均为一用一备。控制系统采用含PID指令且支持多回路调节的PLC，系统结构为：人机界面-PLC-变频器。

换热器热介质入口温度和压力信号是进行PID调节的基础参数，调节阀用来控制热介质入口流量。在整个系统工作之前，换热器冷介质出口处采集的温度信号与设定值相比较，若不同则通过PLC的PID指令进行调节，控制调节阀开度，直至相等，将满足要求的热水送至热用户。调节循环泵频率达到既定二次供回水的流量及压差，实现整个热力网的水循环。根据热用户与换热站垂直距离的高度设定二次网回水的压力，二次网压力由补水泵控制，有两种运行方式，第一，使用控制器的PID控制输出O～10V直流电压向变频器A12频率给定，以随时改变补水泵运行频率的方式控制二次网压力；第二，利用PLC给变频器启停信号转动补水泵以达到设定压力的目的。人性化的使用界面直观反映整个换热站的运行状况。操作人员少，人员培训简单。

1.2 换热站控制功能描述

（1） 数据采集功能：水的温度、压力、流量；调节阀开度；泵的工作状态；变频器工作状态、频率；水箱液位；室外温度。

（2） 参数设定功能：二次供水温度设定；二次供水温度高低限设定；设备轮换间隔时长设定；二次供回水温差设定；补水压力高低限报警值设定；补水压力设定值筹。

（3） 保护/报警功能：电机过流/过压保护；二次超温/超压保护；二次欠压保护；补充水箱液面低保护/高报警。

（4） 远程监控功能：标准的通信接口可以把换热站的各种参数传送到热源厂中央控制室，运行人员根据实际工况可以向换热站下达控制指令，从而实现换热站无人值守，中央控制室计算机预装组态可同时监控数十个换热站。2换热站智能控制系统设计

由于PID控制器的标准算式为：

e（t）=r（t）-y（t）为偏差值，r（t）为给定值，y（t）为被控变量，K_p为比例系数，T_i为积分时间常数，T_d为微分时间常数。PID参数范围为K_p=1.6～5，T_i=3～10m，T_d=0.5～3m。

2.1 调节阀控制策略

换热站通过改变调节阀开度来改变热介质入口流量，从而改变二次供水温度，这样在供热系统满足热用户需求量的前提下，保证最佳工况。按照供回水温差设定值来调整机组负荷，既保证供热质量，又做到经济运行。同时智能控制对流量累积，并实时显示。

2.2 补水泵控制策略

补水泵的自动控制系统有两台补水泵，一用一备的工作模式，通过回水管网上压力变送器的反馈值与内部的设定值比较，使输出到补水泵电机的频率相应变化，而出水压力则始终维持在设定值附近，避免了管网因出水压力过大而破裂的危险，延长使用寿命。要充分考虑热膨胀带来的系统压力变化，例如：静态时系统压力设定为0.4MPa，动态时系统压力设定为0.38MPa。

2.3 人机界面

触摸屏屏控按钮与相应PLC触点通过软件相连，实时监控换热站恒温恒压运行。触摸屏主控界面主要完成如下功能：①手动或自动控制调节阀和变频器，设置控制参数；②手动或自动控制循环泵和补水泵；③当温度或压力过高或过低时，触摸屏发出报警信号，报警时按顺序关闭循环泵和补水泵；④监控和设置现场温度、压力等参数，实时显示各种运行参数。

2.4 热源厂中心控制室

热源厂中央控制室的远程监控使得换热站实现了真正的无人值守。声光报警系统能及时向运行人员提供准确的故障信息，数据报表系统取代了按时抄表的工作，并能够提供满足要求的报表，提高了管理效率，智能控制系统保证换热机组自动运行，无须运行人员频繁操作，控制稳定，效果良好。

3 换热站智能控制系统实现

3.1 系统硬件

（1） 人机界面：采用触摸屏与PLC直接相连，通过配置触摸屏按钮内置数据，实时改变PID参数；监测换热器、调节阀、循环泵、补水泵及变频器工况，显示现场温度、压力信号。

（2） PLC：是控制系统的核心，可设置PID参数进行闭环控制；根据PID运算结果进行D/A变换输出，实现手动或自动调节执行机构（调节阀、变频器）；具有系统故障诊断，判断异常温度、压力、电流等故障信号。

（3） 变频器：通过变频器调节循环泵与补水泵转速，实现节能调速。

3.2 系统软件

触摸屏能够通过PLC对现场设备进行实时监测、控制和报警，达到高可靠性、稳定性运行目的。无人值守换热站的人机界面软件具备报警管理功能，每条报警信息包含报警站点、报警发生时间、报警参数及当前值等详细信息。软件对过去的报警按站点或按时间进行查询，并记录报警的处理人和处理时间。软件系统对运行人员、维护人员、管理人员赋予不同的权限，不同人员具有不同的操作权限，从而避免了操作不当所造成的系统故障。软件系统还设置巡检记录，巡检人员每到一个站点检查完毕，按一下触摸屏屏控按钮就记录了当前巡检的时间，和当天已经巡检的次数，方便了管理人员对运行人员的管理。

3.3 光纤以太网远程通信实现

为了掌握供热流域分配情况、小区用热总量和调节热用户所用热量并进行热能资源优化、调度和自动化管理，系统需要对换热站运行状况进行监测，力求做到换热站无人值守。

以太网通信的特点：①永远在线；②快速登录；③高速传输；④覆盖面广；⑤可靠性强；⑥安全性高；⑦无人值守；⑧灵活方便。

4 结论

在换热站中使用变频器及可编程控制器，充分发挥变频器的调速和节能的优点及可编程控制器配置灵活、控制可靠、编程方便的优点，使整个系统的稳定性有了可靠保障。采用触摸屏对换热站运行过程进行控制，使控制过程智能化、可视化，便于操作和维护。热力网监控系统通过以太网远程通信，实现远程采集、远程控制、远程调节的无人值守运行管理模式。该系统的智能特点为：①人机界面友好；②全面保护机组设备；③带有远程通信接口。通过换热站智能控制系统的投运，过去主要依靠人工调节的手段得到了彻底改善，热力换热站运行得到合理控制，失调现象得到了有效地解决，消除了热力网中各站冷热不均的现象。按需供热、节能降耗，改变了不合理的小温差大流量运行方式，既保证了远端客户的供热需要又避免了近端用户的过热现象，直接改善了供热效果。该系统在高层楼宇等供热领域有实用和推广价值。