摘  要 介紹了熱網(wǎng)監控系統的構成、通訊、工藝及控制策略、功能等。方案采用和利時(shí)公司LK系列PLC，并提供了四種通訊解決方案，詳細說(shuō)明了各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，用戶(hù)可根據實(shí)際應用需求選擇高性能的、實(shí)用的、經(jīng)濟的解決方案。

　　關(guān)鍵詞 調度監控中心；換熱站,熱網(wǎng)；LK；可編程控制器

　　1 引言

　　集中供熱是國家大力推廣的節能和環(huán)保措施，是今后供熱的發(fā)展方向，它具有熱效率高、節能、污染小、供熱效果好等優(yōu)點(diǎn)，一般采用熱電廠(chǎng)的余熱。熱網(wǎng)監控系統是專(zhuān)為熱網(wǎng)調度自動(dòng)化而設計的，它集人機界面、數據庫管理、計算機網(wǎng)絡(luò )、遠程數據通訊、過(guò)程控制和信號檢測等先進(jìn)技術(shù)于一體，是區域供熱實(shí)現現代化管理的一個(gè)重要標志。

　　本文介紹了基于和利時(shí)公司LK系列PLC的熱網(wǎng)監控系統，作為國內首款大型PLC，LK系列PLC具有高性能、高可靠性、通訊靈活、易維護等特點(diǎn)，為城市熱網(wǎng)監控提供了高性能的、實(shí)用的、經(jīng)濟的解決方案。

　　2 熱網(wǎng)系統工作原理

　　熱力系統由一次網(wǎng)系統、二次網(wǎng)系統、恒壓補水系統、熱計量系統組成，各部分之間相互聯(lián)系相互作用。熱源通過(guò)一次網(wǎng)供水管道進(jìn)入換熱器，經(jīng)過(guò)熱交換后，再經(jīng)一次網(wǎng)回水管道流回熱源。而二次網(wǎng)的水在熱交換后經(jīng)二次網(wǎng)供水管道進(jìn)入取暖用戶(hù)的散熱器，用戶(hù)取得熱量后，經(jīng)二次網(wǎng)回水管道再進(jìn)入熱交換器，如此循環(huán)給用戶(hù)供暖。如圖1所示。

圖1 熱力系統工作原理示意圖

　　3 熱網(wǎng)監控系統設計

　　熱網(wǎng)調度監控系統實(shí)現對各換熱站工藝參數、電氣參數和設備運行狀態(tài)進(jìn)行監測、控制、聯(lián)鎖和報警以及報表打印。通過(guò)使用在調度中心和各換熱站間的一系列通訊鏈，完成整個(gè)熱網(wǎng)調度所必需的數據采集，數據通訊，順序控制，時(shí)間控制，回路調節及上位監視和管理作用。整個(gè)系統由調度監控中心、數據通信網(wǎng)絡(luò )、現場(chǎng)PLC控制站三部分組成?，F場(chǎng)PLC換熱站主要完成各換熱站一、二次網(wǎng)的溫度、壓力、流量、液位等工藝參數的實(shí)時(shí)采集、各種運行設備的狀態(tài)實(shí)時(shí)反映和控制；在通訊網(wǎng)絡(luò )的支撐下，通過(guò)某種網(wǎng)絡(luò )接口將反映換熱站運行狀態(tài)的數據傳送到調度監控中心，同時(shí)接收調度監控中心發(fā)來(lái)的調度控制指令；調度監控中心負責接收各現場(chǎng)監控設備發(fā)來(lái)的數據，并對數據進(jìn)行存儲、歷史趨勢分析、報警、報表打印等，在此基礎上，向各現場(chǎng)設備發(fā)出調度控制指令。

　　3.1調度監控中心

　　熱網(wǎng)監控中心主要由數據服務(wù)器、操作員工作站、工程師工作站、通訊網(wǎng)關(guān)、模擬屏、以太網(wǎng)交換機、防火墻、打印機、UPS電源等組成。對規模較小的供熱企業(yè)，可不設數據服務(wù)器，直接操作員工作站兼數據服務(wù)器的功能；對于系統規模較大的供熱企業(yè)來(lái)說(shuō)，如果熱力站規模超過(guò)50個(gè)以上，建議采用專(zhuān)用的數據服務(wù)器，運行管理人員主要通過(guò)操作員工作站完成監控工作。

　　數據服務(wù)器上安裝熱網(wǎng)監控系統軟件，負責采集現場(chǎng)PLC控制站的數據，監測各換熱站的運行情況并指導操作員進(jìn)行操作。數據服務(wù)器實(shí)時(shí)地從現場(chǎng)PLC控制站采集數據以保證其數據庫不斷更新。服務(wù)器還向現場(chǎng)PLC控制站發(fā)送控制和參數設置指令。調度運行人員可從調度監控中心通過(guò)操作員工作站能夠方便地得到換熱站運行的數據并向熱力站下達指令。

　　熱網(wǎng)調度監控中心監控系統采集所有熱力站的歷史數據、實(shí)時(shí)數據，建立歷史數據庫；先進(jìn)的報警管理功能，可以隨時(shí)接收來(lái)自各熱力站的故障報警，發(fā)出報警信息；優(yōu)秀的圖形化人機交互界面，用戶(hù)使用更加方便；輸出生產(chǎn)報表、管理報表，如日報、周報、月報、年報以及小時(shí)平均報表等。

　　3.2通訊網(wǎng)絡(luò )

　　通訊網(wǎng)絡(luò )是整個(gè)熱網(wǎng)監控系統聯(lián)絡(luò )的樞紐，各個(gè)換熱站、熱源、管道監控節點(diǎn)通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò )系統形成一個(gè)統一的整體。為了實(shí)現運行數據的集中監測、控制、調度，必須建立連接所有監控點(diǎn)的通訊網(wǎng)絡(luò )。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的飛速發(fā)展，用戶(hù)選擇的空間越來(lái)越大，而且各個(gè)地方由于網(wǎng)通、電信、移動(dòng)、聯(lián)通部門(mén)提供的服務(wù)在價(jià)格和技術(shù)上差異較大，對于通訊方式的選擇應該結合實(shí)際情況進(jìn)行仔細分析和比較，最終選擇最適合自己的通訊方式。目前可供用戶(hù)選擇通訊網(wǎng)絡(luò )主要有如下四種方案：

　?。?）撥號通訊網(wǎng)絡(luò )：直接采用調制解調器撥號

圖2  撥號通訊方案系統圖

　　優(yōu)點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò )建設簡(jiǎn)單，維護工作量小，運行費用較低；

　　 缺點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò )不穩定，實(shí)時(shí)性差，同時(shí)只能有一個(gè)站上報數據；

　?。?）無(wú)線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò )：無(wú)線(xiàn)電臺，采用公用無(wú)線(xiàn)頻段，自建無(wú)線(xiàn)發(fā)射、接收站

　　優(yōu)點(diǎn)：運行費用較低；

　　缺點(diǎn)：安裝工作量較大、網(wǎng)絡(luò )不太穩定，易受干擾，實(shí)時(shí)性差。

圖3  無(wú)線(xiàn)電臺通訊方案系統圖

　?。?）移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò )：GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò )

圖4  GPRS通訊方案系統圖

　　優(yōu)點(diǎn)：安裝簡(jiǎn)單，不受傳輸距離限制，抗干擾能力強，易維護；

　　缺點(diǎn)：運行費用相對較高。

　?。?）虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )、ADSL等各種寬帶技術(shù)

圖5  ADSL通訊方案系統圖

　　優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時(shí)性較好，安裝簡(jiǎn)單，易維護，網(wǎng)絡(luò )的安全防范性好；

　　缺點(diǎn)：運行費用相對較高。

　　3.3現場(chǎng)PLC控制站

　　現場(chǎng)PLC控制站主要由液晶顯示操作終端和控制系統兩部分組成。彩色液晶顯示屏主要完成各種監控畫(huà)面、采集參數的顯示，并實(shí)現一些參數設定信息的輸入?？刂葡到y采用性?xún)r(jià)比較高的LK系列PLC，包括CPU模塊、I/O模塊，背板等，系統集成多種通訊接口，適用于各種通訊網(wǎng)絡(luò )。

　　現場(chǎng)PLC控制站主要功能是對各換熱站、供熱沿線(xiàn)各節點(diǎn)、熱用戶(hù)運行參數（一、二次網(wǎng)溫度、壓力、流量等）、各種設備運行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控及采集，并根據氣象環(huán)境和負荷的變化按預先設定的控制策略對換熱站循環(huán)泵、補水泵和調節閥進(jìn)行自動(dòng)調節，來(lái)實(shí)現換熱機組的完全自動(dòng)控制，在通訊網(wǎng)絡(luò )的支撐下，現場(chǎng)監控站通過(guò)將反映換供熱運行數據傳送到調度中心，同時(shí)接收調度中心發(fā)來(lái)的調度控制指令。

　　4 系統控制策略

　　4.1 一次網(wǎng)控制系統

　?。?）工藝系統組成

　　系統硬件主要由一次供水電動(dòng)調節閥、室外溫度傳感器、一次供回水溫度傳感器、二次供回水溫度傳感器組成。

　?。?）工藝控制原理

　　一次網(wǎng)供熱量的調節控制是由PID控制器來(lái)實(shí)現的?？刂破鞲鶕彝鉁囟壬啥尉W(wǎng)供回水平均溫度的設定值，指令一次網(wǎng)的電動(dòng)調節閥動(dòng)作。通過(guò)調節電動(dòng)閥的開(kāi)度，控制一次網(wǎng)流量變化量。再由流量的變化調節用戶(hù)的供熱量。

　?。?）自動(dòng)控制框圖

　　從圖中可以看出，目標設定值與反饋回來(lái)的二次網(wǎng)供回水平均溫度作比較，產(chǎn)生的差值經(jīng)過(guò)PID運算，得出控制量來(lái)調節閥門(mén)的開(kāi)度，實(shí)現閉環(huán)控制。如圖6所示。

圖6 一次網(wǎng)控制原理圖

　　4.2 二次網(wǎng)控制系統

　?。?）工藝系統組成

　　硬件主要由變頻器、循環(huán)水泵、二次供回水溫度和壓力傳感器、室外溫度傳感器及控制電路組成。

　?。?）工藝控制原理

　　熱力站間接連接供熱方式，一次網(wǎng)與二次網(wǎng)水力工況互不影響。二次網(wǎng)循環(huán)水泵的工作參數一般都是按設計供熱負荷選取，對于實(shí)施分戶(hù)熱計量的用戶(hù)采暖系統，二次網(wǎng)具備變流量運行功能，即使對于通常用戶(hù)采暖系統，在實(shí)際運行中，隨著(zhù)熱負荷變化循環(huán)水泵變流量參與供熱調節也可節約大量電能。此外，用戶(hù)室內采暖系統無(wú)論是單管還是雙管系統，最佳調節方式都是質(zhì)量并調，即隨室外溫度的變化，不但調節供水溫度，而且要調節系統流量，這樣才能真正消除系統的水平失調和垂直失調。

　?。?）自動(dòng)控制框圖

　　從圖7中可以看出，目標設定值與反饋回來(lái)的二次網(wǎng)供回水溫差作比較，產(chǎn)生的差值經(jīng)過(guò)PID運算，得出控制量來(lái)調節閥門(mén)的開(kāi)度，實(shí)現閉環(huán)控制。

圖7 二次網(wǎng)控制原理圖

　　4.3 補水恒壓自控系統

　?。?）工藝系統組成

　　硬件由補水泵控制變頻器、補水泵定壓采樣旁通（置于循環(huán)水泵上）、泄壓旁通（置于補水泵上）、水箱、水箱液位計、給水電磁閥組成。

　?。?）工藝控制原理

　　補水定壓系統的作用是防止二次網(wǎng)倒空，保證系統在規定壓力下恒壓運行。該功能是通過(guò)變頻調速控制柜完成的。系統壓力信號來(lái)自定壓采樣旁通上的壓力傳感器，當此壓力值低于設定壓力時(shí)，變頻控制柜指令補水泵加速補水；當系統壓力高于設定壓力時(shí)，變頻控制柜指令補水泵減速補水；當系統壓力超過(guò)限定壓力時(shí)，泄壓旁通上的旁通閥開(kāi)啟，進(jìn)行排水泄壓。在這里，從定壓旁通上取壓力信號是為了尋找真正的恒壓點(diǎn)位置，如果恒壓點(diǎn)位置確定準確，則系統恒壓點(diǎn)的壓力就能按設定值精確控制。水箱液位是通過(guò)液位傳感器提供的，當液位超過(guò)高液位時(shí)，給水電磁閥關(guān)閉；當水箱液位降到低于下水位時(shí)，給水補給，熱力站按停機程序關(guān)機，待恢復到正常水位，熱力站按開(kāi)機程序自動(dòng)投運。

　?。?）自動(dòng)控制框圖

　　如圖8所示，在正常情況下，進(jìn)行正常的PID調節，當系統壓力超限時(shí)，管網(wǎng)上的排壓閥打開(kāi)。水箱控制策略是：當液位高于高高限時(shí)，控制器給出關(guān)閉給水閥的信號；當液位低于低低限時(shí)供水程序停止，直到液位恢復。

圖8 變頻供水控制原理圖

　　4.4 熱計量系統

　?。?）工藝系統組成與參數

　　硬件由一次供回水溫度傳感器，一次回水安裝的流量計、積分儀組成。熱計量需上傳和就地顯示的參數分別是瞬時(shí)流量、累計流量與瞬時(shí)熱量、累計熱量。

　　熱力站設置熱計量裝置不僅為日后實(shí)施按熱計量收費提供了計量手段，而且“熱量與流量”作為重要的運行參數，對核算各個(gè)熱力站技術(shù)經(jīng)濟指標和指導供熱運行提供了重要依據。

　　5 系統功能

　　1）參數檢測：主要完成熱網(wǎng)現場(chǎng)過(guò)程的模擬量（如溫度、壓力、熱量等）、狀態(tài)量（如泵的狀態(tài)、溫度等）及脈沖量的測量。

　　2）數據存儲：由于熱網(wǎng)運行的大惰性和控制系統的非實(shí)時(shí)性，要求現場(chǎng)控制設備能按指定的時(shí)間間隔進(jìn)行參數存儲，一般情況下這些參數通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò )定期傳輸到監控中心的服務(wù)器中。

　　3）通訊：LK系列PLC內置RS232、RS485、以太網(wǎng)、PROFIBUS-DP等多種接口，可采用MODBUS協(xié)議、TCP/IP協(xié)議、UDP協(xié)議、自由協(xié)議支持的撥號、無(wú)線(xiàn)電臺、GPRS/CDMA、ADSL等多種通訊方式。該控制器能夠在主動(dòng)或被動(dòng)方式下與監控中心通過(guò)某種通訊網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據通信，以便監控中心能了解系統的整個(gè)運行狀況，做到系統協(xié)調優(yōu)化運行。

　　4）系統安全：LK系列PLC具有電源、CPU、以太網(wǎng)、總線(xiàn)冗余的功能。同時(shí)，LK的采集模塊具有掉電檢測、斷路檢測、短路檢測等功能，提高了系統得安全性。

　　5）顯示操作功能：該控制器具備液晶顯示和操作界面，以方便運行人員在現場(chǎng)對運行狀況一目了然，同時(shí)可以人工直接控制調節系統運行工況。

　　6）報警功能：該控制器能夠識別參數異常，并做出報警提示、報警上傳等故障處理。

　　7）控制調節功能：LK控制器集成了PID運算模塊，可以完成室外溫度補償、自動(dòng)補水、溫度調節、流量調節等環(huán)節的自動(dòng)調節。

　　6 結束語(yǔ)

　　本文討論了基于LK系列PLC的熱網(wǎng)監控系統的設計與實(shí)現，充分發(fā)揮了LK可編程控制器配置靈活、控制可靠、編程方便和可現場(chǎng)調試的優(yōu)點(diǎn)，使整個(gè)系統的穩定性有了可靠保障。該控制系統已在最近的采暖期中得到實(shí)際應用，為企業(yè)帶來(lái)了可觀(guān)的經(jīng)濟效益和良好的社會(huì )效益。

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