智能换热站自动控制系统设计

智能换热站自动控制系统设计

汪江洲 郝 少伟

石家庄华电供热集团有限公司 河北省石家庄市 050000

摘要：近年来，随着社会经济飞速发展，国民生活水平不断提高，对于冬季采暖是我国北方人们特别关注的问题。随着供热管网的不断扩大，如何对热网进行有效地控制和管理，提高其经济效益和社会效益，成为供热企业急需解决的重要课题。

关键词：智能换热站；自动控制系统

引言

随着城市建设、经济发展和人民生活水平的不断提高，各个地区采暖消耗的燃煤量也逐年上升。集中供热对于节约能源、降低碳排放量、减少环境污染、提高人民生活水平发挥了巨大作用，也是国家鼓励、积极扶持的产业之一。换热站作为连接热源和供给用户使用的枢纽，对整个系统的高效运行承担着承上启下的重要作用。然而我国换热站的控制模式多采用人工操作，因误操作导致供热品质下降及设备损坏时有发生。随着自动化及信息技术的不断提高和国家节能环保政策的实施，无人值守换热站智能控制系统凭借其高效率、高性能以及危险预报精度高等优点，已成为众多科研人员的研究热点。为此我公司根据需要，逐步实现自动化控制系统，积极推进两化融合提升企业竞争力与管理能力。

1换热站工作原理

换热站就是换热的场所，它连接一次网和二次网，就像一个变压器一样把一次网的高温热量换热给二次网的热水再供给用户。换热站通过热源热水在一次网循环将热量传送给二次网中的循环水，经过换热站的一次网热水回到热源被加热后重复下一次循环；吸收了一次网热量的二次网循环水由换热站循环泵加压后送至各供热用户，流经用户散热后的二次网循环水返回吸收一次网热量，重复上一次循环周而复始。换热站通过流量计、温度传感器、压力传感器等传感器采集信号送至PLC，并上传数据信息；同时，PLC还可对循环水泵、补水泵等实现远程控制和自动控制，从而实现换热站的无人值守。PLC是热量交换，热量分配及系统监控、调节的枢纽，在供热期间通过调整和保持热媒参数（温度、压力和流量等），进行分时、分区节能控制和气候补偿节能控制，满足按需供热，实现供热、用热全网热量平衡和节约能源。

2换热站自控系统组成

2.1换热器现场数据采集、控制系统

采用一体化的数据采集、控制装置，实现换热站的自动化检测与控制，系统具有以下主要功能：数据采集：系统能够采集换热站的压力、温度等参数：⑴温度：一次供水、回水温度;二次供水、回水温度，室外温度；⑵压力：一次供水、回水压力，二次供水、回水压力，除污器和板换之间的压力；⑶变频器运行参数：变频器电流、电压、状态、频率等（补水泵不采集电流），该项参数需要低压电器具备变频柜，且能够提供输入输出参数及端子；⑷电动调节阀门开度。实时控制：系统软件有多种控制策略组成，可以满足不同用热特性的控制要求，提高换热站及建筑的供热质量，降低能源消耗。

2.2数据通讯系统

系统能够通过网络系统，将换热站的实时数据传输到调度管理中心，管理中心也可以通过网络系统将控制指令下达到现场控制器，执行控制调节指令。

2.3调度中心管理系统

调度中心可以实时接收换热站现场采集系统传输上来的各种运行数据，并储存在中央数据库中，作为后续管理、分析、控制的基础数据。调度中心管理系统可以实时对上传数据进行连续动态分析，并根据分析结果下达调节指令。

3控制系统方案设计

3.1控制策略

换热站供热系统具有热惯性、大滞后、非线性的特点，为维持用户室内温度的恒定，采用分时段变流量调节供水温度的控制方法。

3.2硬件设计

自动控制系统硬件由以下几部分组成:现场级的温度、压力、流量、液位等测量传感器与仪表，水泵、阀门等执行器，控制级的可编程控制器(PLC)、I/O模块等，以及监控管理级的工控机和人机界面(HMI)。

3.3网络设计

控制系统共有两个通信网络，一是作为主站的S7-300PLC与作为从站的S7-200PLC之间采用的Profibus-DP网络，二是主站PLC与上位机监控之间采用的MPI网络。

3.4监控系统设计

系统监控软件选用亚控公司的组态王KingView6.53，它具有稳定的采集架构，可方便地导入设备变量，支持工业库和关系数据库接口，方便数据的采集提取。监控系统实现对各设备状态的监测，掌握系统各环节的实时状态，并根据监测情况对各环节进行合理的控制和管理。监控系统的主要功能有:工艺流程显示、数据采集与存储、系统状态显示、控制操作或参数设置。

3.5读取历史数据

组态王的历史记录文件格式有:临时数据文件、压缩的原始数据文件、进行数据处理的特征值文件。历史记录首先被记录到临时文件中，每小时生成一个，到整点时读取该数据并进行压缩处理和算法过滤，生成真正的历史库记录文件，同时记录特征点数据，特征值文件每年生成一个新文件。

4智能换热站主要控制策略

4.1二次网供水温度的调节

根据供热对象的特性和本地的气候条件，给出一条二次供水温度与自然时间及室外温度之间的对应曲线。按照当地热负荷（曲线可以进行偏差修正）、室外温度的变化及不利点温度，利用PLC的强大控制功能和丰富算法，结合一天中温度设定值的变化规律对控制算法进行修正，根据修正后的控制算法得出二次网侧供热温度的设定值，把设定值和实测供热温度比较后，送入控制器，执行智能PID闭环调节，改变一次网电动调节阀的开度，实现一次侧流量的量调节和二次侧供水温度的质调节，从而达到二次网供水温度的要求。

4.2二次网供回水压差控制

为了满足将热水供至管路末端用户，必须在换热站二次网设置循环泵。二次网供回水要保持一个恒定压差来保证供回水的流量，使热量传送给用户。因此，循环泵须采用变频控制。由压力传感器检测供回水压差信号并与设定值比较，通过变频器采用智能PID方式调节循环泵的转速，使得二次网供回水的压差保持恒定，在保证最不利点正常供暖的前提下，既实现了分时段变流量功能，又有效地节约了电能。压差设定值可根据经验参数或经验曲线进行设定。

4.3二次网回水定压控制

热水管网常会发生漏水现象，导致水压不稳定，为了维持管网恒压点压力，在二次管网回水处设置一台回水压力变送器，将回水压力信号输送至补水泵变频器，变频器根据回水压力设定值，通过内部PID控制调节补水泵的转速，保持二次热网的水压恒定。

结束语

设计合理的工作流程，是设备功能实现的关键。这套无人值守的智能供热节能控制系统已在天津市许多换热站中投入使用，实现了换热站运行数据实时在线监控、换热设备远程控制及库存管理等。相比使用之前，在经济效益方面：运行维护费用环比节约20%，煤的使用量环比节约15%，供热站和换热站的人工运行费节约40%；在社会效益方面，智能化、信息化的管理实现了换热站无人值守，平均处理故障时间由24h缩短到3h，故障发生率较平均下降了40%，明显改善了工作环境，提高了工作效率。

参考文献

[1]傅振铎.换热站控制系统的开发与实现[J].智慧工厂,2017(1):87-89.

[2]史宜巧.PLC应用技术（西门子）［M］.北京：高等教育出版社，2017.

[3]刘峰，苏义山.变流量间接供热调节在无人值守换热站中的应用［J］.区域供热，2017（6）：36-42.

[4]王宁.GPRSDTU在能源计量数据在线采集中的应用［J］.中国计量，2018：80-82.

[5]吴明永，李菊生，王国伟.基于PLC的硅铁配料自动化控制系统的设计与应用［J］.电气传动，2018，46（2）：72-76.