当代背景下换热站控制系统的设计与实现

2020-09-29李瀚轩太原市热力公司

门窗 2020年4期

李瀚轩太原市热力公司

1 引言

人工智能技术是实现工业4.0的基础。随着经济和社会的快速发展，尤其在我国北方，供热系统已成为冬季室内采暖的重要内容，换热站作为系统热源与热负荷之间的媒介，对系统的供热质量起着至关重要的作用。但是，在目前传统的采暖系统中，传统的供热系统大多采用阀门手动操作，完全由既有热力系统结构来决定，其问题是能耗大，劳动强度高，操作自动化程度低。本文提出了一种基于PLC、变频器和工业组态软件的换热站控制系统的设计，从而达到了节能、热效率高和运行自动化的目的。

2 工艺概况和控制要求

为更全面的对换热站进行控制，首先提出了换热站工艺概况和控制要求，然后提出了换热站控制系统的方案设计。

2.1 换热站工艺概况

换热站由一个换热器、3个循环泵、2个补给泵和电动控制阀组成（以一般情况下的单系统站举例）。通过安装在室内和室外的温度传感器，调节进入高温水流量完成热交换过程。其中换热器是供热系统的关键设备，它是一种由高温水加热庭院网水的热交换器。

2.2 控制要求

控制系统的主要控制需求如下。

（1）泵。包括3个循环泵（2个运行，1个备用）和2个补给泵（1个运行，1个备用）。循环电机一种为工频驱动，另一种为变频驱动，各功率75kW；补充电源中，一个由工频驱动，另一个由变频驱动，各有3kW功率。控制信号应由供水和回水之间的压差发出。水泵连接变功率时可无级调速。

（2）参数显示。显示参数包括供水温度显示、回水温度显示、室内温度显示、室外温度显示、供水压力显示、回水压力显示。

（3）蝶阀驱动。两个蝶阀可在整个系统启动或停止时自动开启或关闭。

（4）电动阀门控制。根据室内外温度传感器的信号，连续调节阀门的开度，将供水温度稳定在预设值内。

（5）人机界面需求。人机界面可显示换热站工艺流程图及主要工艺参数，并可通过该界面传送指令。

（6）保护功能。当换热系统不运行时，循环泵应停止运行；当管网却水时，补水泵自动运行；如果管网压力达到预设值时，补水泵自动停止；水箱液位不足时，补水泵自动停止或无法启动。

3 控制系统的硬件选择

根据上述控制要求，控制系统的控制器既可以处理继电器信号，也可以处理模拟信号，具有模拟量的闭环调节能力。同时，水泵可以在变频工况下运行，因此换热站控制系统的硬件选择十分重要。

PLC作为主控制器。一些经验丰富的电气工程师知道，PLC/PC（Program Controller）是一种流行的工业计算机，它不仅能完成逻辑控制，还能完成模拟量回路调节、运动控制等许多高级功能。根据组件的输入、输出和控制系统的需要，选择FXIN-60MR微三菱FX系列PLC，拥有36个输入和24输出，采用先进的指令如PID指令调整[2]，因为模拟信号的特性，应该扩展PLC模拟输入/输出功能模块，如FX2N-4AD（4）和FX2N-4DA（4）等。一方面，采用4AD是一个12位高分辨率的4路模拟输入模块，可以接收0+10V电压信号，0-20mA或4-20mA电流信号。另一方面，选用的4DA可发送标准电压信号和/或电流信号，具有4路12位高分辨率。需要说明的是，为了避免工作现场强烈的电磁干扰，必须采用电流输入/输出（4-20mA）的接线形式[3]。

变频器无级调速。目前，逆变器作为一种进口的电力电子转换器，可以将连续的工频转换为连续的变频。因此，该设备可以很容易地达到节能、降耗和降噪的目的。该控制系统选用了ABB公司ACS510系列变频器，具有直接转矩控制（DTC）和先进应用宏等优点。其主要优点和特点在于：采用直接励磁可以获得最大起动转矩（200%法向转矩）；利用主从函数可应用于多个驱动系统；输入输出可编程功能；调速精度高；保护报警措施完善。由于该逆变器的这些优点，可以很容易地实现水泵的无级调速。在ACS510系列中有很多应用宏，但这里我们应该只需要选择手动/自动宏。

IPC作为监控接口。工控机具有很强的兼容性、扩展性和可靠性，可方便地通过RS-232串口与PLC进行连接。硬件配置选用研华IPCH610系列作为时尚的国产工业组态软件HMIMCGS（监控生成系统）运行在研华IPC上。利用该人机界面，可以方便、直观、形象地实现监控过程的可视化。采用传感器/换能器、模拟输入/输出模块、PLC和执行器，如逆变器、电动阀等，可精确实现蒸汽压力的回路调节，并可对所有测点的温度进行测量[4]。

4 控制系统的软件设计

基于模块化编程思想，整个程序结构可分为初始化功能、上位工控机通信功能、继电器控制功能、模拟采样、模糊PID调节功能和保障功能等模块。PLC的LAD图编程流程图如图1所示。在这些模块化功能中，模糊PID调节功能是值得一提的。在某些情况下，PLC的PID指令的使用并没有达到我们的预期；因此，根据模糊控制理论及其应用，从室内外温度的偏差和偏差加速两个方面，自行编制了蒸汽压力模糊PID调节程序。

图1 PLC的LAD图编程流程图

人机界面配置。为了美观和个性化的人机操作体验，采用MCGS-监控控制生成软件。该工业组态软件具有非常快速、简单的组态开发过程，在MCGS开发环境中可通过RS422/232串口实现PLC与上位工控机之间的双向高速通信，创建了所有需要的窗口和图片，包括工艺流程主窗口、工艺参数显示窗口、关键参数设置窗口等。在IPC运行MCGS时，通过这些精美的图片和动画，可以完成生动活泼的人机交互。