远程智能型换热站自动控制系统

戴 倩

（天津市光彩自控工程有限公司，天津 300384）

集中供热系统是城市的基础设施之一，也是城市现代化水平的重要标志。发展集中供热对节能减排、改善环境质量、提高人民生活水平都具有重要的意义。供热企业面对换热站数量不断增加，对运行管理提出更高要求，对如何利用自动化控制技术，借助现代通讯网络，收集供热系统的信息，集中监视、分级管理、综合分析、协调调度、实现安全运行、环保达标，提出了强烈的行业需求。基于供热行业的系统需求和自动化控制系统的完善，加上通讯网络的普及，本文研制开发了远程智能型换热站自动控制系统。

1 换热站的工作原理

换热站主要完成从供热一次网到二次网的热量交换。换热站监控系统可对热网的温度、压力、流量、开关量等信号进行采集测量、控制、远传。实时监控一次网、二次网温度、压力、流量，循环泵、补水泵运行状态及水箱液位等参数信息，对供热过程进行有效地监测和控制。在供热期间将室外温度、最远端温度引入控制策略，调节一次供水调节阀来控制二次网的供水温度（可手动、自动控制），达到按需供热，实现气候补偿，进行分时、分区控制，实现变频器的精准、节能控制，进而实现供热全网热量平衡及节能、安全运行。换热站工作原理如图1所示。

图1 换热站工作原理Fig.1 Working principle of the heat exchange station

2 换热站控制系统

换热站控制系统主要由远程监控部分（包括上位操作计算机及软件组态、数据服务器、打印机、数据交换机）通过GPRS设备或光纤环网交换机完成现场各换热站的数据采集、集中显示、各个工艺参数的远程设定、远方启停运行、设备保护功能的监控、历史数据的记录，实现远方传输、远程控制。现场控制部分包括下位机可编程逻辑控制器设备（PLC）及编程、触摸屏及编程、与PLC设备的通讯链接。温度仪表、压力仪表、流量仪表、变频器、水泵等测量仪表和其他运行设备主要完成换热站的信号检测，可在PLC和触摸屏上完成换热站的二次供水温度调节、二次网的定压补水、设备运行、监控保护、数据存储等功能。通讯部分通过GPRS或光纤环网实现数据的上传、下传、网络系统数据共享。远程智能型换热站系统如图2所示。

图2 远程智能型换热站系统Fig.2 Remote intelligent heat exchanger station system diagram

2.1 下位机组成及功能

下位机主要由可编程逻辑控制器（PLC）和液晶显示操作终端（HMI）两部分组成。彩色液晶显示屏主要完成各种监控画面、采集参数的显示，输入参数设定，完成人机对话。PLC控制系统采用性价比较高的西门子S7-200系列PLC，包括CPU模块、I/O模块、通讯模块等，完成温度、压力、流量数据的采集、记录、计算及人工智能控制，实现时序控制和复杂的逻辑控制，系统可以集成多种通讯接口，适用于GPRS和光纤内部网络通讯。PLC系统如图3所示，部分触摸屏画面如图4所示。

图3 PLC系统Fig.3 Programmable logic controller system

图4 部分触摸屏画面Fig.4 Part of the touch screen images

下位机编程选用西门子公司开发的组态软件STEP7-Mincro/Win V4.0编辑。本设计采用结构化编辑方式编辑下位机程序，把结构相似、控制功能相近的程序编写成相近的指令模块，其中还开发编写了针对换热器的特殊的大滞后算法模块，实现了具有特色的智能PID调节，只要给这些模块赋予不同的参数，即可实现温度调节、定压补水、运行保护、数据监测的控制功能。进一步满足了不同用户的各种控制需求。

2.2 上位机配置及其功能

上位机采用工业控制计算机加工业控制软件的配置。可为系统配置的工业控制应用软件有组态王KINGVIEW、美国Intellution的Ifix、西门子WCC、和利时Hollyview。按照系统的不同特点及要求进行系统的软件编程，适应不同的系统管理、控制功能。在上位机上可实现对系统各项参数的集中显示，动态显示各换热站、各种设备的运行状态。通过上位机的软按钮可以远程设定某个换热站的电动调节阀门的开度、出水温度、水泵的运行频率、定压补水数值、压力保护值、水箱液位报警值。

上位机具备安全操控与报警功能。用户只有在登录界面输入用户名和密码才能进入系统，在开启或关闭设备时也必须输入密码才能实现远程控制，同时事件记录界面会记录操控设备的用户名和操控时间，做到负责到人。当设备出现故障时，上位机启动声光报警信号，通知当班人员确认并排除故障，通过组态的报警记录自动记录报警发生的时间、设备号及故障类型，便于事故查询。上位机画面如图5所示。

图5 上位机画面Fig.5 PC screen

2.3 网络通讯功能

目前普遍应用的通讯方式有GPRS和光纤局域网2种。GPRS通讯通过手机流量卡，经过无线传输实现数据互联。它的特点为覆盖面大、施工方便、通讯速率较慢、传输率低、带宽窄。GPRS通讯如图6所示。光纤局域网通讯是通过电讯部门搭建的光纤局域网络实现数据互联。它的特点为覆盖面相对小、施工量大、通讯速率快、带宽可达百兆、可传输数据、视频。供热光纤局域网如图7所示，依托于方便、快捷的数据网络通讯功能，上传各换热站的数据信息，下传远程监控的数据指令，设定工艺运行参数，保证热网系统的安全、有效运行。

图6 GPRS通讯Fig.6 GPRS communication

图7 供热光纤局域网Fig.7 Heating fiber LAN

3 换热站控制系统的主要控制功能

3.1 二次网温度控制

换热站控制系统具有气候补偿、恒温供水、人工设定、不利点跟踪、气候的变化自动调节等功能。应用PLC的丰富算法和控制功能，根据室外温度的变化、不利点温度和当地热负荷（曲线可以进行偏差修正），将一天中温度设定值的变化规律引入控制算法，计算出二次网侧的供热温度设定值，将实测供热温度和设定值比较后，进行智能PID闭环调节，控制器输出信号至一次网流量电动调节阀门，使二次网供水温度达到控制要求，实现经济、合理、舒适供热。温度调节控制原理及一天中设定值的变化规律如图8、图9所示。

图8 温度调节控制原理Fig.8 Temperature regulation control principle diagram

图中： f（x）=f（Tc+Ta+To）；Tc为时间时序温度；Ta为不利点温度；To为室外温度。

图9 一天中设定值的变化规律Fig.9 Variation of settings in the day

3.2 二次网差压及补水控制

实现二次网供/回水压力差值智能PID控制，从而保证最不利点正常供暖。压差设定值可根据经验参数或补偿曲线设定补水泵变频控制。

自动补水是由二次网侧回水管路上的压力变送器检测的压力信号与控制器上回水压力设定值比较后输出一个控制信号，通过智能PID控制来调节补水泵的转速，保证二次热网的压力，从而实现二次网回水自动补给。补水定压的结构如图10所示。

图10 补水定压的结构Fig.10 Hydrating constant pressure diagram

3.3 保护功能

管道失压保护[1]：二次网侧回水压力低于超低限设定值时，自动停止循环泵运行，并关闭电动调节阀，自动补水系统投入运行，开始补水。自动补水系统投入运行后二次网侧回水压力仍继续降低即发声光信号报警。

异常断电保护[2]：停电后自动关闭电动调节阀，切断热源，控制器及变频器自动复位并使各种设定参数和运行状态参数保持原断电前设置。

超温保护[3]：二次网供水温度超过80℃（操作面板可调设定值）时，一级网侧电动调节阀关闭。一次网回水温度超过70℃（操作面板可调设定值）时启动高限制保护，以一级网回水温度为目标控制电动调节阀门开度。一次网侧供水温度超过设定值时立即关闭一级网侧电动调节阀并报警。

超压保护：二次网供水压力超过设定超高限值（操作面板可调设定值）循环泵停止运行并关闭一次网侧电动调节阀。

监测水箱液位，具备报警保护功能。水箱液位为4～20 mA信号输入，停补水泵信号由控制器送出，停泵水位可以人为设定。经过搭建这样的远程智能型换热站自动控制系统，最终可以实现换热站的无人值守、智能控制、安全运行。

4 结语

以高可靠PLC控制器作为换热站的主控制器，配备通讯网络、主控计算机管控，实现了对热网换热机组远程、智能、安全的自动控制；实现了良好的人机对话，方便操作人员在触摸屏、主控室了解现场的实时数据采集并进行参数设置；实现了故障保护功能；实现了现场和远方两级操作；实现了换热站的手机浏览功能。维护人员可以灵活组态和方便查找现场设备故障原因，达到了直观、快捷、安全运行的目的。该控制系统已经分别在天津、北京、新疆等多地供热部门常年运行应用，获得了良好的经济效益和社会效益，反应良好。

[1]吴世磊.热力站设计与运行[M].北京：中国电力出版社，2008.

[2]张凯清.热力站启动调试与安全运行[M].北京：中国电力出版社，2009.

[3]中华人民共和国建设部.城市热力网设计规CJJ34-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.