无人值守换热站自动化控制设计与实现

李国强 吴倩

摘要：无人值守换热站是指换热站由自动化系统控制，不需要人工控制、值班。系统可以自动进行故障诊断，并在监控画面上显示各工况参数并控制设备运行状态。控制器可以通过这条曲线根据室外温度传感器测量的室外温度对一次供汽流量进行控制，以达到对二次供水温度的控制。此设计的特点在于能够通过室外温度对二次供水的温度进行控制，以达到节省能源，提高供热质量的目的。

关键词：无人值守；换热站；自动化控制系统；供热

1 集中供热面临的形式

集中供热是当今使用最多，负荷面积大，控制方便的供热方式。其结构为：热源、一次管网、换热站、二次管网、用户。热能由热源产生通过一次管网输送到换热站，由换热站换热后输送给用户。上述流程中热源和换热站都有着复杂的运行系统，电器设备相互按需协作运行是节能降耗的前提条件。供热面积大、用户地域分布广、加压设备负荷、用户管道承压的差异性决定了换热站种类和数量较多。一个换热站需要6个人员才能保证值班运行。一个热网系统需要很多的拥有技术资格的运行人员才能保证热网的运行。对于热力企业减少投入的人工成本和降低人员的损耗是经济方面迫不及待的问题。综上所述需要设计一个无人值守换热站系统。其特点是换热站能实现自动化无人值守运行、换热站与热源和换热站与换热站之间能进行自动化通讯。

2 无人值守换热站系统的分析

无人值守换热站系统的结构分为：中心控制室部分、片区中心站部分、换热站就地控制部分、网络通讯部分、外网拓展部分。下文分别分析和设计这五部分内容。

2.1中心站控制室

中心站控制室主要完成对各换热站就地控制的监控功能、对整个系统进行统一决策。系统流程：中控室服务器利用上位组态王软件采集网络上每个换热站就地的实时数据，数据通过全网平衡软件分析后，服务器给出控制数据发送到每个热力站的PLC（可编程逻辑控制器，是一种采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程）。PLC做出响应调节换热站的一次网回水电动阀门。使二次网温度高的换热站较一次网阀门关小，减少这个站的流量。同时开大较低温度换热站的一次网阀门，让其得到更多的热能。这样动态的控制达到全网平衡的目的。同时中控室还具有生产报警功能，各换热站PLC发送给中控室服务器的压力、温度、液位信号与组态软件中的警报设定值比较，产生报警。通过上位组态软件调节补水泵启停、变频器频率来让换热站系统正常运行。中控室的组成：服务器、防火墙、交换机、路由器、网络终端机、电脑终端。

2.2 片区中心站

目前大城市化的发展速度越来越快，城市覆盖的面积以惊人的速度增长。供热居民区不仅数量多，而且分布广。实际工作中，一个中心站控制室的人员面对300个或300个以上的热力站进行管理捉襟见肘。系统设计引入片区中心站概念，把庞大的供热区域分解成为几个片区。其功能是将中控室的数据发送到片区中心，操作员通过对片区内各站数据的分析，快速做出反应。同时无人值守换热站加装视频监控系统，片区中心站可以分担中控室对视频監控的工作。

2.3 换热站就地控制系统

换热站系统的结构为：一次网供回水管路、换热器、二次网供回水管路、循环泵、补水泵或一次直接补二次网电磁阀。根据工艺流程控制将系统分为以下几部分。

2.3.1换热站就地监控系统

以换热站就地控制器为核心，现场的温度、压力、流量、热量、阀门开度、泵的启停信号出送到控制器，由其进行A/D转换并判断处理，实现就地控制。

2.3.2现场仪表和执行原件

现场仪表和执行原件包括：压力表、温度表、液位计、流量计、热量计、液位、变频器、电动阀阀门。

2.3.3通讯系统

通讯系统可采用无线通讯、大型局域网通讯、大型局域网加互联网的拓展模式通讯。

2.4换热站就地信息采集原理

1）温度方面：利用PT100热电阻的特性：它的阻值跟温度的变化成正比。PT100的阻值与温度变化关系为：当PT100温度为0℃时它的阻值为 100Ω，在100℃时它的阻值约为138.5Ω。它的工业原理：当PT100在 0℃时它的阻值为100Ω，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。现场PT100热电阻通过变送器将变化的电阻信号转换成电流信号由通信电缆传输给就地控制柜，信号由控制柜中的AI模块接受并转化为数字信号传输给PLC。PLC将数字信号按比例关系转化到寄存器中。就地控制触摸屏和中控室服务器从相应的寄存器读取数据处理后显示到屏幕。

2）压力方面：利用压力变送器的特性：介质压力直接作用于敏感膜片上，分布于敏感膜片上的电阻组成的惠斯通电桥，利用压阻效应实现了压力量向电信号的转换，通过电子线路将敏感元件产生的毫伏信号放大为工业标准信号。信号通过AI模块到达PLC。

3）液位可采用压力变送器测量，根据水的密度计算出压力下水柱的高度。

4）循环泵变频器方面：变频器的通讯模块发出的电流、频率、故障信号，通过AI模块到达PLC。

2.5换热站自动化控原理

PLC通过对采集信息的处理，根据程序设定做出反应。

1）补水泵启停：补水泵一般对二次管网的回水管进行补水。PLC将采集到各二次网压力和程序设定值比较，如果现场值低于下限设定值则 PLC发出信号到DO模块，由DO模块处理并发出24V电流信号作用补水泵电机继电器吸合，达到补水功能。如果现场值高于程序设定上限则中断电流信号，补水停止。这样完成了一次自动补水。

2）循环泵的控制： 中控室服务器或触摸屏控制器对PLC发出信号，PLC接收并处理将启停和频率信号传输给变频器，变频器接收并完成动作。部分采用了变频器的补水泵配合补水程序能实现恒压供水。

3）一次网回水电动阀门的控制：全网平衡软件通过服务器给予PLC调节电动阀的信号。PLC处理信号后发送给AO模块进行数模转换，AO模块将处理后的模拟信号传输给电动阀，电动阀动作。这样完成了一次全网平衡调节。

3 结语

本文分析和设计了集中供热运行现状，根据目前先进的自动控制技术和高速、多功能的网络，针对快增长的供热需求。设计出一个具有网络化的无人值守供热系统。分析了换热站自动化控制原理。这个系统经过实践证明是有效可行的。

参考文献：

[1]李越，郝威，徐洪亮.无人值守换热站智能控制系统的研究[J]. 商品与质量，2016（52）.

[2]尚伟红.供热工程[M].北京：北京理工大学出版社，2017.