摘 要： 本文針對換熱站控制系統進(jìn)行了研究，開(kāi)發(fā)設計了一套基于PLC控制器組成的換熱站自動(dòng)控制系統。該系統采用PID控制策略，對換熱站的一次網(wǎng)、二次網(wǎng)和補水系統進(jìn)行實(shí)時(shí)的數據采集和控制，經(jīng)過(guò)實(shí)際運行驗證，系統穩定，效果良好。

   關(guān)鍵詞 集中供熱系統；換熱站控制系統；PLC

   Abstract： This paper discusses the heat exchanger control system, and develops a PLC based automatic control system with PID control method. The system accomplishes the realtime data acquisition and equipment control of the primary network, the secondary network and the water supply system. This system has been realized with a stable and good performance. 

   Key Words Central Heating Supply System; Control system of heat exchanger; PLC

   1 引言

   集中供熱系統是城市的基礎設施之一，也是城市現代化水平的標志之一。發(fā)展集中供熱對節約能源、改善環(huán)境質(zhì)量、提高人民生活水平都具有重要的意義。因其具有良好的社會(huì )效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟效益，故而在城市發(fā)展和完善集中供熱中是非常必要和迫切的。

   城市集中供熱信息管理調度及自動(dòng)化控制系統對于保證供熱系統優(yōu)質(zhì)供熱、安全運行、經(jīng)濟節能、環(huán)境保護具有十分重要的作用。通過(guò)建設城市集中供熱信息管理調度及自動(dòng)化控制系統，可收集到全市供熱工程的全部主要信息，集中監視、綜合分析、協(xié)調調度、提高效率，使供熱行業(yè)管理從粗放型向集約型轉變，促使供熱行業(yè)控制水平整體提高。

    降低熱能損失是供熱行業(yè)節能最主要方向，本文的目的在于提供供熱控制方案，通過(guò)自動(dòng)控制使熱損失降到最低。通過(guò)提供工藝控制功能庫，保證滿(mǎn)足負載的同時(shí)使這些設備在相應工藝條件下，發(fā)揮最大的效率，最大程度地降低能源的損耗。

    2 換熱站的工作原理

   集中供熱又稱(chēng)區域供熱，以熱水和蒸汽為載能體，通過(guò)管網(wǎng)為一個(gè)區域的所有熱用戶(hù)供熱。通常是由一個(gè)和多個(gè)供熱設備集中供熱，例如供熱鍋爐、熱電聯(lián)產(chǎn)裝置、溫泉地熱、低溫供熱核反應堆的熱源及工業(yè)余熱等。集中供熱系統是由熱源、熱用戶(hù)和熱網(wǎng)三部分組成。熱源負責制備熱媒，熱力網(wǎng)負責熱媒的輸送，熱用戶(hù)是指用熱場(chǎng)所。集中供熱系統的熱用戶(hù)有供暖、通風(fēng)、熱水供應、空氣調節及生產(chǎn)工藝等用熱系統。

   各熱用戶(hù)用熱系統的熱負荷，按其性質(zhì)可分為兩大類(lèi):季節性熱負荷和常年性熱負荷。熱水供熱系統按系統的密閉性可分為開(kāi)式和閉式兩種型式。在閉式系統中，熱網(wǎng)的循環(huán)水僅作熱媒，供給熱用戶(hù)熱量，而不從中取出使用。在開(kāi)式系統中，熱網(wǎng)循環(huán)水部分或全部從熱網(wǎng)中取出，直接用于生產(chǎn)或熱水供應。

   由于供熱系統中熱用戶(hù)的熱負荷并不是恒定的，如供暖通風(fēng)熱負荷隨室外氣象條件變化，熱水供應和生產(chǎn)工藝用熱隨使用條件等因素變化。要保證供熱質(zhì)量，滿(mǎn)足各熱用戶(hù)要求，并使熱能的制備和輸送合理，就要對供熱系統進(jìn)行運行調節一一也就是供熱調節。

    在城市集中熱水供熱系統中，供暖熱負荷是系統最主要的熱負荷，甚至是唯一的熱負荷。因此，在供熱系統中，通常按照供暖熱負荷隨室外溫度的變化規律，作為供熱調節的依據。供熱調節的目的，在于使供暖用戶(hù)的散熱設備的放熱量與用戶(hù)熱負荷的變化規律相適應，以防止供暖熱用戶(hù)出現溫度過(guò)高或過(guò)低。

   根據供熱調節地點(diǎn)不同，供熱調節可分為集中調節、局部調節和個(gè)體調節三種調節方式。集中調節在熱源處或供熱網(wǎng)處進(jìn)行。局部調節在換熱站或熱用戶(hù)引入口進(jìn)行，個(gè)體調節直接在散熱設備處進(jìn)行調節。集中供熱調節容易實(shí)施，運行管理方便，是最主要的供熱調節方法。

   集中供熱系統的換熱站是供熱網(wǎng)路與熱用戶(hù)的連接場(chǎng)所，在其內安裝有與用戶(hù)連接的有關(guān)設備、管道、閥門(mén)、儀表和控制裝置。它的作用是根據熱網(wǎng)工況和不同的條件，采用不同的連接方式，將熱網(wǎng)輸送的熱媒加以調節、轉換，向熱用戶(hù)系統分配熱量以滿(mǎn)足用戶(hù)的需求;同時(shí)還應根據需要，進(jìn)行集中計量、檢測供熱熱媒的參數和數量。根據規模和設置地點(diǎn)不同，換熱站又可分為首站、區域換熱站、集中換熱站和用戶(hù)換熱站。熱力輸配網(wǎng)絡(luò )控制的重點(diǎn)是換熱站的控制。

   換熱站主要完成從供熱一次網(wǎng)到二次網(wǎng)的熱量交換，置換出的二次網(wǎng)的熱水溫度一般在40℃~65℃之間。換熱站監控系統可對熱網(wǎng)的溫度、壓力、流量、開(kāi)關(guān)量等進(jìn)行信號采集測量、控制、遠傳，實(shí)時(shí)監控一次網(wǎng)、二次網(wǎng)溫度、壓力、流量，循環(huán)泵、補水泵運行狀態(tài)，及水箱液位等各個(gè)參數信息，進(jìn)而對供熱過(guò)程進(jìn)行有效的監測和控制。在供熱期間可按室外溫度調節二次網(wǎng)供回水溫度（可手動(dòng)、自動(dòng)切換），達到按需供熱，實(shí)現氣候補償節能控制；也可以進(jìn)行分時(shí)分區節能控制，實(shí)現供熱全網(wǎng)熱量平衡及節約能源。系統結構圖如圖1所示。
  
                    
                             圖1 換熱站的工作原理

   3 換熱站控制系統設計

   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，并接受一些參數設定的輸入信息?？刂葡到y采用性?xún)r(jià)比較高的和利時(shí)LM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。如果有通訊網(wǎng)絡(luò )的支撐，現場(chǎng)監控站還可以將反映換供熱運行的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。
LM的連接圖如圖3-1所示。

                    
                                     圖3-1 LM連接圖

   4 換熱站控制系統的主要功能

   一次網(wǎng)電動(dòng)調節閥控制

   換熱站控制系統具有氣候補償和恒溫供水功能，即根據氣候的變化自動(dòng)調節供熱量。應用可編程控制器（PLC），根據室外溫度的變化和當地熱負荷曲線(xiàn)，決定二級網(wǎng)側的供熱量，實(shí)測供熱量和設定值相比較后，進(jìn)行PID閉環(huán)調節，控制器輸出信號至電動(dòng)調節閥，調節電動(dòng)調節閥的開(kāi)度，從而改變一級網(wǎng)側的流量，實(shí)現二級網(wǎng)側供熱量調節。

   二次網(wǎng)循環(huán)泵變頻控制

    實(shí)現二次網(wǎng)供/回水壓力差值PID控制，從而保證最不利點(diǎn)正常供暖。壓差設定值可根據經(jīng)驗參數或經(jīng)驗曲線(xiàn)進(jìn)行設定。
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    補水泵變頻控制

    自動(dòng)補水是由二次網(wǎng)側回水管路上的壓力變送器檢測的壓力信號與控制器上回水壓力設定值比較后輸出一個(gè)控制信號，通過(guò)PID控制來(lái)調節補水泵的轉速，從而實(shí)現二次網(wǎng)回水自動(dòng)補給。
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    保護功能

    失壓保護：二次網(wǎng)側回水壓力低于超低限設定值時(shí)，自動(dòng)停止循環(huán)泵運行，并關(guān)閉電動(dòng)調節閥，自動(dòng)補水系統投入運行，開(kāi)始補水。自動(dòng)補水系統投入運行后二次網(wǎng)側回水壓力仍繼續降低即發(fā)聲光信號報警。

    斷電保護：停電后自動(dòng)關(guān)閉電動(dòng)調節閥，切斷熱源，控制器及變頻器自動(dòng)復位并使各種設定參數和運行狀態(tài)參數保持原斷電前設置。

    超溫保護：二次網(wǎng)供水溫度超過(guò)80℃（操作面板可調設定值）時(shí)，一級網(wǎng)側電動(dòng)調節閥關(guān)閉。一次網(wǎng)回水溫度超過(guò)70℃（操作面板可調設定值）時(shí)啟動(dòng)高限制保護，以一級網(wǎng)回水溫度為目標控制電動(dòng)調節閥門(mén)開(kāi)度。一次網(wǎng)側供水溫度超過(guò)120℃時(shí)立即關(guān)閉一級網(wǎng)側電動(dòng)調節閥并報警。

   超壓保護：二次網(wǎng)供水壓力超過(guò)設定超高限值（操作面板可調設定值）循環(huán)泵停止運行并關(guān)閉一次網(wǎng)側電動(dòng)調節閥。

    監測水箱液位，具備報警保護功能。水箱液位為4～20mA信號輸入，停補水泵信號由控制器送出，停泵水位可以人為設定。

    經(jīng)過(guò)搭建這樣的換熱站自動(dòng)控制系統，最終可以實(shí)現換熱站的無(wú)人值守，帶來(lái)以下功能效果：
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   宏觀(guān)掌握供熱系統運行狀況、運行質(zhì)量。
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    保證供熱系統的運行參數。對熱網(wǎng)的水力工況和熱力工況進(jìn)行全自動(dòng)調節，解決各換熱站的耦合影響，消除熱網(wǎng)水平失調，平衡供熱效果。
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    以節省總供熱量為目標，在滿(mǎn)足熱網(wǎng)用戶(hù)基本采暖要求的前提下盡量減少總供熱量，從而達到提高經(jīng)濟效益的目的。
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    更好地進(jìn)行供熱系統設備的維護及管理。及時(shí)檢測報告供熱系統故障，做到防微杜漸，防患未然。
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   為熱網(wǎng)如何經(jīng)濟高效運行提供分析基礎和分析依據。通過(guò)記錄的熱網(wǎng)運行歷史數據，在一個(gè)采暖期結束后與前期數
據進(jìn)行比較分析，查出主要能耗來(lái)源，為今后的節能改造提供條件。

    5 結論

    該套自動(dòng)化集中監控系統具有以下優(yōu)點(diǎn)：①系統完成溫度、壓力的自動(dòng)控制，連續穩定運行；②提供完整的人機交互接口，用戶(hù)可以通過(guò)現場(chǎng)觸摸屏完成對系統的監視和操作；③通過(guò)控制算法完成供熱的時(shí)間與溫度曲線(xiàn)控值，達到節能目的。

    PLC控制系統作控制站，實(shí)現了對換熱站或換熱機組的自動(dòng)控制；實(shí)現了良好的人機對話(huà)，方便操作人員在觸摸屏上了解現場(chǎng)的各種實(shí)時(shí)數據并進(jìn)行參數設置或手動(dòng)控制，同時(shí)通過(guò)PLC控制系統實(shí)現自動(dòng)故障保護功能；維護人員可以直接從觸摸屏上靈活組態(tài)和方便查找現場(chǎng)設備故障原因，達到了既顯示直觀(guān)又節省費用的目的。本設計經(jīng)北京和利時(shí)自動(dòng)化驅動(dòng)技術(shù)有限公司在多個(gè)熱網(wǎng)項目中具體實(shí)施實(shí)現，已得到了非常好的實(shí)際應用效果。

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