无人值守换热站的自动控制系统
摘要：针对公司现换热站运行现状，提出了一种具有无人值守功能的自动控制系统方案,主要由人机界面、西门子S7-200 PLC、ABB变频器、GPRS通讯模块组成;重点阐述了采暖供水温度的自动化控制与具体实施,循环泵和补水泵的变频控制方案,及通过GPRS网络进行远程监控的数据传输设计；
关键词:换热站；西门子S7-200 PLC；PID控制；变频调速；GPRS网络0 引言
城市集中供热系统主要包括热源厂、供热管网、换热站、用户等几部分。连接于热源厂和热用户之间的换热站是整个集中供热系统的重要组成部分，是热量交换、热量分配以及系统监控和调节的枢纽，它用于调整和保持热媒参数（压力、温度和流量），使供热、用热达到安全经济运行，所以，换热站自动化控制系统的功能和性能就显得有为重要，其控制和监视的核心主要是监控一次、采暖网的进出水温度、压力、流量和循环泵、补水泵的状态、起停控制、转速、故障以及电量等参数；换热站集中监控系统不仅能够有效的保证换热站的安全稳定运行，提高检修的效率，降低人工循检的成本，还便于相关部门的管理提高热力公司调度自动化水平，降低运营费用。 1 无人值守换热站的组成 1.1无人值守换热站控制原理
某换热站工艺流程如图1所示,系统采用多个压力和温度传感器,分别安装在换热站口等位置,采集实时温度和压力信号。2台循环泵和2台补水泵为1用1备,控制系统采用含PID指令西门子S7-200 PLC,系统结构为:人机界面- PLC-变频器。供热系统中利用计算机技术监控换热站的运行,可实现能源的充分利用,减小环境污染。人性化的使用界面直观反映整个换热站的运行工况。 1.2 换热站控制功能描述
基于HMI、PLC、变频器、GPRS网络技术的无人值守换热站控制系统概括起来可达到5个目的:①及时检测换热站内运行参数,了解系统运行工况；②均匀调节流量,消除冷热不均；③合理匹配工况,保证按需供热；④及时诊断系统故障,确保安全运行；⑤健全运行档案,实现量化管理。
（1）数据采集功能:水的温度、压力；温控阀开度、泵的工作状态、变频器工作状态。
（2）参数设定功能:采暖供水温度（计划曲线设定或固定值）；采暖供回压差设定；补水压力设定值；泄压报警值及超温、失压保护设定值等；
（3）报警与保护：电机过流保护；超温/超压保护；失压保护；补充水箱液面过低保护；异常时，自动运行模式自动解除，改成手动操作。
（4）远程监控功能:西门子S7-200PLC可通过标准的通讯接口，将所需的数据及控制参数传送到数据中心，运行人员可根据现场实际情况下达指令，从而达到无人值守的要求。
图一 自动控制的换热站结构图
2 无人值守换热站的组成
由于PID控制器的标准算式为:
1de(t)u(t)?Kp[e(t)??e(t)dt?TdTi0dt (1)
式(1)中:e(t) = r(t)-y(t)为偏差值,r(t)为给定值,y(t)为被控变量,Kp为比例系数,Ti为积分时间常数,Td为微分时间常数。
换热器数学模型为:
KG(s)?e??sTs?1将参数稍微设定大一些。
由于其为纯滞后一阶惯性环节,所以积分和微分时间常数可以根据现场的实际情况，
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换热站控制基本原理就是随着热用户温度和回水压力的变化,智能化控制调节阀开度和循环泵、补水泵转速,达到恒温恒压的控制要求。 2.1 二次网供水温度控制
当换热器的采暖供水温度偏离设定值时，控制调节系统就自动改变电动调节阀的开度，从而改变进入换热器的一次热媒的流量，改变传送到换热器的热能，使采暖的供水温度稳定在设定值附近，根据不同情况，常见的控制方式有经验调节、分时段调节、定温调节。为了做到既经济运行又保证供热质量，可以采用经验调节方式控制采暖供水温度。还可以根据触摸屏内设定的计划曲线（分时段调节）来设定不同时间的采暖供水温度，计划曲线如图二所示。
计划曲线可设定多个应用曲线，在不同的温度或供暖时期而采用不同的采暖供水曲线；从而控制器自动调节一次管网上电动调节阀，来改变一次网进换热器的流量，保证采暖网供水水温与其设定值相符，从而保证初寒、中寒和末寒的供暖温度，为消费者提供高度舒适感。
图二 采暖供水温度计划曲线（实际一天）
2.2 变频技术的应用
交流异步电动机的节电措施，就是采用不同方式的调速节能，一般较为常用的调速方法有液力耦合器调速、串级调速、电磁调速和变额调速四种。相比而言，变频调速节电效果显著。近年来，应用较为广泛，尤其对水泵运行时转速的控制上，根据水泵所耗功率与转速的三次方成正比的原理。
P?Kn3
式中P－功率，w；K－比例系数；n－电机转速，r／min。
循环水泵是为了控制系统保持一定的压差，保证供回水的流量，使热量带给用户。假如系统的流量需要减少20％，相应的电机转速应降低20％，实际转速为80％，则0.83≈51％，以期节电49％。基于这一原理，采用变频器调速控制方式来调节流量，这在节电上是行之有效的方法。
循环泵的控制要点是:小流量、大温差。这是因为根据热量计算公式: Q = (t2g-t2h)×G×K可知,当供热系统向热用户提供相同的热量Q时,供回水温差△t =t2g-t2h与循环水量G成反比例关系。即系统的供回水温差大,则循环水量就小,水泵的电耗就会大大降低。电耗与流量、扬程成正比；在管网不变条件下,电功率随流量的三次方变化。
换热站内循环水泵以变频方式工作时，由压力传感器检测供水与回水管网实际压差，管网实际压差与设定压差经过比较后输出偏差信号，由偏差信号控制调整变频器输出的电源频率，改变水泵转速，使管网压力不断向设定压差趋近。利用变频调速控制管网压力原理图如图三 所示。
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图三 变频调速控制管网压力原理图
2.3 补水泵控制策略
补水泵的自动控制系统有2台补水泵,每台功率为2.2kW,1用1备的工作模式,其工作方式同循环泵。除对采暖供水温度进行设定外,还需检测采暖供水压力。换热站根据热用户负荷变化实时智能控制供水量,满足热用户供暖要求。当热用户无法供暖或者触摸屏发出故障警报时,需检查采暖供水压力是否不足,以便及时排除故障。控制策略如图四所示,通过回水管网上压力变送器的反馈值与内部的设定值比较,使输出到补水泵电机的频率相应变化,而出水压力则始终维持在设定值附近,避免了管网因出水压力过大而破裂的危险,显著降低器件损耗,延长使用寿命,降低因故障停机的频率。
图四 采暖回水压力控制回路
3 无人值守换热站的系统构成 3.1 系统硬件构成
循环泵和补水泵的转速都通过PLC控制变频器来进行调节,并且循环泵和补水泵满负荷工作时均在工频状态,当需调速时由变频器切入变频状态,且通过热用户负荷的大小由变频器自动实现变频调速,避免浪费,达到节约能源目的。因此系统主要由3部分组成：
(1)人机界面:采用MCGS触摸屏与PLC直接相连,通过配置触摸屏按钮内置数据,实时改变PID参数；监测换热器、调节阀、循环泵、补水泵及变频器工况,显示现场温度、压力信号；内设报警极限值可进行声、光报警,方便调节和控制整个工作过程。
(2) PLC: 西门子S7-200 PLC是控制系统的核心,可设置PID参数进行闭环控制;根据PID运算结果进行D/A变换输出,实现手动或自动调节执行机构(调节阀、变频器)；具有系统故障诊断,判断异常温度、压力、电流等故障信号。
(3)变频器:选择实现闭环调节功能的变频器,通过变频器调节循环泵与补水泵转速,实现节能调速。PLC通过AO点输出0-10V的方式控制变频器。根据需要,选用ABB变频器。由PLC控制改变变频器的输出频率。 3.2 系统软件实现
3.2.1 西门子S7-200 PLC软件实现
换热站控制系统将温度和压力信号等模拟信号转换为数字信号,与设定值相比较,根据比较结果自动调节,通过PLC驱动调节阀开度或调节变频器输出频率。PLC从A/D模块处读取初始温度和压力,再将设定温度和压力值写进D/A模块,完成PID调节,满足换热系统恒温运行。同时控制补水泵启动与停止,维持热力网系统压力恒定,避免因缺水而带来安全隐患。软件中主要的检测控制参数设置，如表1所示。
换热器采暖回水温度信号经过A/D转换后传给PLC,并与设定值比较。开始时循环泵在满负荷状态下工作,当热用户较少时,回水温度比设定值高,此时需要减小循环泵转速;在供热过程中,如果发现热用户增加,回水温度比设定值低,则需重新提高循环泵的转速;若通过调节循环泵转速仍不能满足要求,则需要再次控制调节阀开度,改变蒸汽流量。随着供水时间的延长,会造成热力网失水,并导致回水处压力下降,当换热器回水压力信号经A/D转换后与
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