浅谈分布式控制系统在热交换机组上的应用

曲小秋

（黑龙江省中能控制工程股份有限公司，黑龙江 哈尔滨150000）

1 系统简介

换热站分布式控制系统在城镇供热领域创新性的采用了分布式和模块化方式设计，系统由智能控制箱、分布式单元箱、专用通讯总线、智能接口设备组成，通过不同模块组合实现多种控制模式。分布式系统（distributed system）是依托于网络平台上的软件系统，处理各项协助的任务，然后整合出结果。是一种主从式的通讯方式。每台供热机组配置一个分布式单元箱，监控本机组设备；智能控制箱统一下达调度指令，协调各从站工作，同时监控换热站公共设备。不同于传统的控制方式现场大量布线的形式，分布式设计大大减少了现场施工量，并且提高了仪表的准确度。

2 系统硬件结构特点

（1）模块化分别设计、生产、快速组装：这种预制模块方式能够大大缩短生产周期，快速交付、而且便于后期更换设备。（2）极强的扩展能力：任意增减站内设备，无需更改系统软硬件。（3）结构紧凑、安装方便：每个控制单元都做成统一规格的控制面板，可减少安装工程量，降低电缆及敷设费用。（4）丰富的控制策略、画面新颖、操作简单：触摸屏组态丰富，设备启停均使用仿真按钮、指示灯等，可避免误操作，降低人员培训成本。

3 系统软件平台特点

3.1 多等级权限用户，确保运行安全：系统提供了3 个等级的权限用户，分为巡检员、运行员、工程师。巡检员负责定时对热力站进行巡检，保证站内设备运行正常，各运行参数不超出正常范围。巡检员负责对站内设备及相关联锁保护进行投切，保证系统及设备处于安全稳定的运行状态。工程师负责制定、维护机组各个设备的整体运行策略，为系统制定一套详细的运行方案。而且用户的登陆工号和密码可通过远程系统修改。

3.2 强大的系统配置功能，随时满足系统扩容需求：每个系统均单独拥有独立的操作界面，机组、仪表、阀门、加压泵等设备都在界面上有显示和操作按钮，如需增加系统，只需要更改设备配置ID号及设备名称即可。

3.3 仿真按钮，操作简便：操作界面上配置设备的红色和绿色启停按钮，方便操作。

3.4 运行数据分类显示，便于能耗分析。经济指标在显示界面上均量化实时显示，系统累积用电量，瞬时用水量及累积用水量，瞬时供热量及累积供热量均分类量化显示，清楚明了，便于能耗分析。

3.5 报警信息及时、完整，历史报警查阅便捷。实时报警区滚动显示当前存在的实时报警信息。在报警阈值界面中，用户可根据现场运行情况对各个热工数据的报警及连锁动作值予以设定。历史报警界面则完整的记录了所有设备的历史报警信息，查询方便。

3.6 支持在线修改量程，方便仪表维护。在量程标定界面，用户可针对现场工况以及设备维护情况，对现场设备的量程及偏差值予以修正。

3.7 控制策略丰富，满足多种工艺环境需求。控制策略决定机组一次侧和二次侧的运行方案，一套优质、合理的控制策略，可以在保证供热质量的同时，极大限度的节约热能。控制策略分为一次侧策略和二次侧策略，一次侧控制策略主要是规划电动调节阀的运行模式，二次侧控制策略则是为循环水泵的运行指定方案。

4 系统详述

系统负责监测一次网及二次网的相关参数，如温度、压力、流量、热量等；对热力站中的设备进行集中监视和远程操控功能，如分布式水泵运行状态反馈及控制，关键电动设备可单独切换自动、手动、现场、远程等不同的控制模式等；并将数据上传到监控平台，并且接受监控平台来的控制指令。

4.1 检测和控制的内容

（1）机组一次网（调节阀前/后）供、回水的温度；（2）机组二次网供水、回水温度；（3）机组一次网供水、回水压力；（4）机组二次网供水、回水压力、循环泵出口压力；（5）水箱液位；（6）室外温度；（7）流量、热量；【热量计：流量（瞬时值）、热量（瞬时值、累计值）】；（8）补水瞬时流量；（9）循环泵变频单独启停控制、电流、频率反馈、频率给定；（10）分布式水泵变频单独启停控制、电流、频率反馈、频率给定；（11）补水泵变频单独启停控制、电流、频率反馈、压力给定；（12）电动调节阀控制给定，阀位反馈；（13）热力站用电量（能量表）的数据采集，功率、功率因数、电压、电流等。

4.2 系统参数。每台机组配置一个终端站（以下称分布式单元箱），接入机组传感器、电磁泄压阀、电动执行机构、变频器等设备。每个站配置一个控制中心（以下称智能控制箱），负责将数据上传到SCADA，并且接受SCADA的控制指令，同时采集换热站公共设备参数如水箱液位、室外温度、一次网总管温度压力、一、二次热量、电量等。智能控制箱与站内各分布式单元箱通过专用总线通讯，统一采集机组变频器、传感器参数，控制机组电磁泄压阀、电动调节阀、变频器等设备。

智能控制箱带有就地操作触摸屏，安装在箱面板上。操作面板可以显示换热站工艺过程的画面，阀门开关、水泵启停等不同状态区别显示，方便操作员监视所有设备，并且换热站的所有设备也应由操作员通过触摸屏控制，监控中心能与触摸屏就地进行同样的控制。

所有的换热站通过VPN网络与控制中心系统服务器相连。若某一PLC发生故障，整个系统也可保持正常运行，不会对整个控制系统产生不利的影响。

4.3 系统主要功能。（1）参数测量：主要完成供热管网实际过程的模拟量（如介质的温度、压力、流量、热量等）、离散量（如水泵的状态、水箱水位高、低状态等）及脉冲量的测量、并完成对应的测量量的上下限比较、PID运算、以及逻辑运算等；（2）通讯功能：PLC 控制器采用开放的通讯协议，具有国际标准RJ45 接口，并支持TCP/IP协议，能将现场的设备运行情况经通讯系统传送到热网监控中心供分析处理，同时可接收热网监控中心发来的指令进行控制和调节，如调阀的调节及泵的启停等控制；（3）日历、时钟功能：PLC设有日历和时钟（年、月、日、分、秒），并可接受监控中心发来的校时命令，使整个系统与监控中心时间保持一致；（4）二次网补水压力控制：通过安装在二次侧回水管路上的压力传感器测得压力信号，与控制器接收到的二次回水压力设定值比较，经计算输出一个控制信号给控制器，控制器发出指令控制补水泵的开启（应考虑临界点时泵的频繁启动措施），并同时具备一次回水直接连接二次回水补水系统，通过电动调节阀和电磁阀，从而实现管网二次回水自动补给。此回水压力设定值也可以通过中央监控系统进行远程设定；（5）循环泵控制：根据二次网供回水压差的设定值，自动调节变频循环水泵的转速；能根据二次网供回水温差设定值，自动调节变频循环水泵的转速，两种调节模式应可在软件中切换；（6）电动调节阀控制：一次网调节阀运行方式有两种，手动给定和程序控制。当处于手动给定时，通过人机界面或远程给定改变调节阀的开度；当处于自动位时，根据二次网供水温度和其他相关控制算法通过程序控制调节阀的开度。控制器根据预先设定的供热曲线，通过改变机组一次侧电动调节阀的开度（即改变一次侧供水流量），来达到控制二次侧供水温度的目的。经过长期的不断优化和改进“质调节”已经成为目前大部分换热站广泛采用的控制手段；（7）开机自检功能：机组运行时，在二次侧回水压力会设定一个超低限保护值（在操作面板上可以调整此值），当二次侧压力没有达到此设定值时，不能启动循环泵而只能开启补水系统补水，等控制器接收到信息，二次侧压力达到设定值后方可启动循环泵；（8）来电自启功能：换热机组在送电后，控制器按预先设定的控制程序自检，待自检合格后，自动按顺序启动；（9）失压保护：当二次侧回水压力值低于超低限设定值时，系统按程序自动停止循环泵运行，顺序关闭电动调节阀，自动补水系统投入运行，机组开始补水。如果自动补水系统投入运行后，二次侧回水压力仍然没有达到设定值，则发声光信号报警（该信号也将远传给调度中心）；（10）断电保护：控制柜内配备UPS 装置，如发生停电事故，则现场控制器自动关闭电动调节阀，并切断一次网热源。待断电恢复后，控制器及变频器自动复位，系统中原有设定参数和状态参数都将保持原断电前设置；（11）超温保护：当二次网供水温度超过85℃（操作面板可调整设定值）时，一次侧电动调节阀就会关闭。当一次侧回水温度超过70℃（操作面板可调整此设定值）时，系统自动启动高限报警保护，以一次回水温度为目标值，控制电动调节阀开度。如果一次侧供水温度超过130℃时，系统会立即关闭一次侧电动调节阀并启动报警联锁；（12）超压保护：当二次供水压力超过设定超高限值（操作面板可调整设定值）时，系统自动停止循环泵运行并关闭一次侧电动调节阀，并启动报警联锁。

综上所述，采用分布式控制系统，使得系统可扩展性大大增强，各分布式控制箱与智能控制箱之间采用总线连接，减少了现场布线的施工量，提高了系统的响应速度，同时也提高了系统的稳定性，此控制系统与工艺配合可实现热力站的全自动控制，能够安全启停机组，达到无人值守。