一种换热站节能自控柜的研究与设计

摘要：本文根据实际需求提出一种换热站节能自控柜的设计方案，能满足软件平 台对换热站设备的远程数据采集与监控，实现无人值守。实现换热站高、中、低 区及商业区的二次网供水温度的分区控制和节能控制策略。

关键词：PLC 自控柜；分区节能控制；远程数据采集域监控；无人值守

一、换热站自控柜的现状与设计思路

（一）换热站自控柜的现状

2017 年北方各省相继推出清洁供暖的政策与措施，供热节能改造成为一种趋 势。换热站作为供热系统中一个重要环节，是供热精细化监控与节能管理的重要 部分。因当前很多地区的换热站控制柜还不具备数据远程与远程监控的功能，有 些换热站自控柜虽有数据远程功能，但是无法实现远程设备的控制功能。在“互 联网+”趋势下，作为换热站数据采集与监控中心的换热站节能自控柜也是朝着 无人值守与智能化方向发展。在技术发展的趋势下，研究与设计一种适应实际需 求的换热站节能控制柜，既能满足供热节能改造的需要，又能取得较好的经济效 益。

（二）换热站控制对象的现状

随着城市的发展，城市中小区内的高层建筑越来越多。高层建筑楼层一般为 33 层左右，楼下为商业，楼上为住宅区。为较好的满足不同楼层的供暖供水压 力，换热站的二次网一般分成高、中、低区三个区分别对不同的楼层供暖，并且 都会从二次网的低区分出一个支路给商业供暖。这种建筑具有多个住宅的分区， 每个住宅分区通过调节分布式变频泵的频率来调节二次网的供水温度，这种建筑 还具有楼下低区商户的分时节能控制。针对这种城市中典型的建筑特点，就需要 研究设计一种典型的换热站节能自控柜满足其供暖的需要。 2 这种换热站的具有如下的自控设备：（1）一次网的供回水温度传感器、一 次网的供回水压力传感器、一次网热量表；（2）二次网高区的供回水温度传感 器、供回水压力传感器、热量表；（3）二次网中区的供回水温度传感器、供回 水压力传感器、热量表；（4）二次网低区的供回水温度传感器、供回水压力传 感器、热量表；（5）水箱的液位传感器、室外温度传感器；（6）水箱补水电磁 阀 （7）高、中低区补水泵变频控制；（8）高、中、低区循环泵变频控制；（9） 高、中、低区分布式变频泵控制柜；（10）摄像头、录像机；（11）水侵报警器。 设计换热站自控柜时，需要确定数字量、模拟量个数，才能确定选择多少个 数字量和模拟量模块。每个传感器都是一个模拟量输入点，每个热量表是一个数 据采集点，每个泵变频控制都有启停控制、故障反馈、频率给定、频率反馈，因 而它有一个数字量输入、一个数字量输出、一个模拟量输入、一个模拟量输出。 综上这种换热站有 18 个传感器和 9 个变频泵供需 27 个模拟量输入点；9 个变频 泵供需 9 个模量输出点；补水电磁阀和 9 个变频泵需 10 个数字量输出点，水侵 报警器和 9 个变频泵需要 10 个数字量输入点。

（三）解决问题思路

结合上述换热站自控柜子的现状以及换热站自控设备对象的现状和特点。本 文研究设计的换热站节能自控柜需要满足先进性、稳定性、经济性、可靠性、易 操作性、易维护性。换热站 PLC 控制系统可独立完成本地控制，各个换热站利用 通讯网络可将数据传给监控中心，同时接受监控中心的运行参数调整。 具体本文设计的换热站节能自控柜它能实现以下控制功能：（1）手动和自动 进行补水泵变频控制、二次网循环泵变频控制、补水电磁阀等控制，手动和全自 动方式可选择。（2）商业区分时分区自动控制；（3）二次网供水温度分时段定供 温控制，具有气候补偿控制策略，PLC 控制器通室外温度与供水温度的曲线及当 前室外温度值，实现二次网侧供水温度的自动控制，满足用户室温需求；（4） 水箱自动补水控制和管网低压补水自动控制；（5）超壓时，泄压阀自动开启， 进行泄压；（6）换热站水表、电表、热量表、温度传感器、压力传感器、液位 传感器、室外温度传感器的数据采集；（7）摄像头视频采集与存储；（8）水侵报 3 警信号。既有实现手动、自动、分时段、分区域、有气候补偿的节能控制策略， 又能较好的实现换热站数据采集与远程监测与控制。

二、一种换热站节能自控柜的具体设计

（一）主要设备选型 PLC 设备选型：通过比较发现，西门子系列 PLC 应用比较广泛，通讯协议公 开，应用维护比较方便，通过对比性价比，选用西门子 S7-200 224XP 比较合适， 根据控制设备数量，确定每个柜子采用 2 个 PLC。该型号 PLC 具有 1 个模拟量输 入点，1 个模拟量输出点，2 路 RS485，10 个数字量输出，14 个数字量输入，满 足数字量点的要求，数字量全部采用 24V 继电器隔离输出。 模拟量输入输出模块的选型：因 PLC 选用西门子系列，因而模拟量输入输出 模块也采用西门子 EM235CN 四输入两输出模拟量模块，因系统供需要 27 个模拟 量点，所以需要 7 个这种型号的模块。7 个模块中的其中 4 个扩展在第一个 PLC 后面，另外 3 个扩展在第 2 个 PLC 后面。 触摸屏的选型：触摸屏选用 10 寸大小的屏，具有 1 路 RS485 和 1 路 RS232 接口，同时还有 1 路网线接口。因换热站控制柜实现远程监控后，触摸屏本地操 作次数不会很多，10 寸触摸屏已经满足现场设置参数的需要。 4G 无线路由器：换热站节能自控柜内部标配 4G 路由器。4G 路由器具有 1 路 RS232 通讯接口和 4 路网线接口，满足摄像头、录像机的网络接口需要，其中 RS232 接口已经映射成路由器的 502 端口。根据现场有线网络和无线网络的条件。 设置上行通讯为 4G 无线方式、或 VPN 方式、或动态域名方式。当上行通讯方式 为 4G 无线方式时，不实时上传摄像视频信号，将视频信号保存在刻录机中。 24V 开关电源：选择输出功率为 350W 的开关电源。PLC、模拟量模块、继电 器、热量表等都需要 24V 直流电源供电。 12V 开关电源：远传水表需要 12V 直流电源供电，因只有 4 个电表，选择 24W 的开关电源已经满足需求。 温度变送器：测量范围 0℃-150℃，感温元件 Pt100，电压 24VDC，输出信 号 4-20mA。 4 室外温度变送器：测量范围-50℃-50℃，感温元件 Pt100，工作电压 24VDC， 输出信号 4-20mA。 压力变送器：压力量程 0-1.6MPa，精度等级高于 0.5 级，工作电压 24VDC， 输出信号 4-20mA。 液位变送器：量程为水箱高度加 1 米，精度等级高于 0.2 级，工作电压 24VDC， 输出信号 4-20mA

（二）柜体的总体部局设计

本文研究设计的换热站节能控制柜具有以下特点： 换热站节能控制柜体积为高 1800mmx 宽 600mmx 厚 450mm，下面有底座高 200mmx 宽 600mmx 厚 450mm，底座与柜体之间设置一个开孔的挡板，这样接完线 调试好后，有挡板挡着，看不到柜体下面线槽沟里面的线，所以柜子内部看上去 非常整齐。 西门子的四输入两输出模拟量模块接法有 2 种：一是温度、压力等传感器的 有源 4-20mA 输入方式，其相应输入通道接口的 COM 接 24V 负，V+和 I-接传感器 的负端，传感器的正端接直流 24V；二是变频泵的变频器频率反馈输入是无源的， 其相应输入通道接口的 COM 接频率反馈的负端，V+和 I-接频率反馈的正端。 换热站节能控制柜内部设置 1 路照明灯，采用门限开关控制，当柜体门打开 是，照明灯亮，反之，照明灯灭。柜体内部设计 1 个 5 口插座，方便换热站节能 控制柜调试时笔记本电脑取电。 换热站节能控制柜下面 50CM 高度为接线端子，接线端子分 3 排竖着排列， 不是普通的横向排列方式。这种排列方式在现场接线时视野比较好，不容易接错 了。横向排列方式，接线端子是下方接线，又由于接线端子在柜体下面位置，需 要几乎趴在地上才能看到接线口，视野不好。

（三）柜体内通讯架构

4G 路由器通过 4G 無线网络或者有线网络与供热公司的监控中心软件平台通 讯，当换热站与监控中心不在同一个局域网时，有线网络可以设置为 VPN 方式或 5 者动态域名方式。触摸屏通过 RS232 接口与 4G 路由器通讯，4G 路由器的串口映 射成路由器的 502 端口。触摸屏通过 RS485 接口与 PLC、水表、电表、热量表通 讯，采集数据与远程监测。摄像头和刻录机通过网线接到 4G 路由器的网线口， 当采用 4G 网络无线通讯时，摄像头的视频信息存储在刻录机内，不实时上传。 这样整个柜体内的通讯网络连通。

三、结束语

本文根据城市换热站改造需求提出一种换热站节能自控柜的设计方案，能满 足软件平台对换热站设备的远程数据采集与监控，实现无人值守。该换热站节能 自控柜具有一些自身的特点。

参考文献： 1.任爱东 换热站系统设计思路[J]供热计量 2014，12

作者简介：邓海平，男，1985年4月，湖南东安，大学本科，广东艾科技术股份有限公司