智能换热站自动控制系统设计

李 明，姚美菱，闫 岩，张 星

（1.河北省城乡规划设计研究院，石家庄 050021；2.石家庄邮电职业技术学院，石家庄 050031；3.河北金融学院，河北 保定 071051）

0 引言

集中供热系统是城市重要的基础设施之一，也是城市现代化水平的重要标志[1]。换热站作为连接热源与用户的重要纽带，起着热量匹配、转换和输配的功能，其安全、可靠、稳定、经济节能运行直接影响热源效率及供热质量。鉴于此，智能换热站利用现代工业自控技术、计算机技术、通讯技术、物联网技术、现代信息处理技术，实施更科学、更规范的监控管理，实现由传统的人工操作模式向现代化、高度集成化、自动化、智能化的模式转变，最终达到提高供热质量，节约能源的目的。本文是以保定市老城区集中供热改造设计为例。

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。

图1 换热站工作原理Fig.1 Working principle of heat exchange station

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[2]。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 智能换热站控制系统组成

智能换热站的自动控制系统由监控中心、通信网络、本地监控站（现场控制层）3部分组成[3]，见图2。监控中心硬件由服务器、工作站、集中显示系统、电源系统、打印机和相应的网络通信设备等组成。监控中心能够实现对供热系统监控运行、调度和能耗管理、故障诊断和报警处理、数据存储和统计及分析、集中显示等功能。本地监控站（现场控制层）由PLC、传感器、变送器、执行机构、网络通讯设备、人机界面等组成，能够实时采集各换热站一、二次网的压力、温度、流量、液位等参数，监视和调控设备运行。通信网络将监控中心、各个换热站、热源、管道监控节点等连接成一个整体，是热网监控系统的桥梁和纽带。

3 智能换热站现场控制层硬件设计

换热站现场控制系统由PLC控制器、触摸屏、电动调节阀、变频器、压力、温度、流量变送器，通讯模块等以及视频摄像机、交换机等部件构成[4]。

控制核心PLC采用德国西门子公司的S7-300系列，其模块化的结构、易于实现分布式的配置、电磁兼容性强、抗震动冲击性能好，在供热领域应用广泛。中央处理单元采用CPU 315-2DP，自身带有Profibus-DP主/从现场总线通信接口；温度测量模块采用SM331 AI8×RTD 8点输入热电阻专用模块；模拟量输入模块采用SM331 AI8×（9～14）bit，输入精度9～14位可调；模拟量输出模块采用SM332 AO8×12bit，输出的电流和电压可调整；数字量输入模块和输出模块分别采用16点24VDC的SM321和32点24VDC的SM322。

图2 智能换热站控制系统组成Fig.2 Intelligent heat exchange station control system

图3 智能换热站数据采集系统图Fig.3 Intelligent heat exchange station data acquisition system diagram

变频器采用ABB公司的ACS510系列变频器，内置RFI滤波器和变感电抗器，具有PID闭环调节功能，变频器与PLC采用Profibus-DP方式通讯，由PLC控制改变变频器的输出频率，调节循环泵与补水泵转速，实现节能运行。

采用西门子TP精智系列触摸屏作为PLC的人机界面，通过触摸屏按钮可调整和修改PID参数；显示现场压力、温度、流量、液位等信号，监测循环泵、补水泵、调节阀、变频器等设备工况；为了方便调节和控制整个工作过程，通过设置报警极限值可进行声、光报警。

视频监控摄像机为网络摄像机，采用光纤以有线方式租用通信运行商链路实现换热站和监控中心之间运行数据和视频信号实时传送，并接受监控中心发送的指令。智能换热站数据采集见图3。

4 智能换热站主要控制策略

影响用户供暖质量的因素主要是供热系统中水的温度、管道压力及流量，调整二次侧的供水温度、供回水压差和回水压力就能满足用户对供暖的要求，通过对一次网侧电动调节阀以及对二次网侧循环泵和补水泵的控制即可实现对以上各参数的调节[5]。

图4 二次网温度调节控制原理Fig.4 Principle of secondary network temperature regulation control

图5 二次网供回水压差控制原理Fig.5 Principle of secondary network supply and return water pressure difference control

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。

图6 二次网回水定压控制原理Fig.6 Principle of secondary network return water constant pressure control

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。

5 结语

通过采用电子信息技术、PLC控制技术和变频调速技术等，智能换热站控制系统实现了对温度、压力、流量等参数的自动控制，不仅提高了供热系统的自动化程度及控制精度，还节省了大量的人力和物力。通过远程通信网络，热力网监控系统实现了对换热站的远程遥测、远程遥信、远程遥控，利用视频系统还可实时监视换热站现场情况，最终达到无人值守，起到了减人增效的效果。