基于PLC 的热交换站监控系统设计

温俊霞

（宁夏工商职业技术学院，宁夏 银川750021）

在集中供热系统中，由于动态生产数据实时性要求高，管线覆盖区域范围大，传统的监控方式难以实现。本系统通过典型的两级控制，即上位机+下位机的控制方式，利用较为先进的计算机技术、PLC、测控技术，实现以远程监控运行参数为主，辅以人员巡查，基本达到没有人员值守的目标。该系统可实现对热交换站的实时工作状态和反馈信息采集，并及时进行远程调控，使热交换站系统能够在最佳工况下维持运行，达到节能减排目的，借此来取得优异的经济和环保效益。

1 系统整体设计

热交换站控制系统的最终目的是使室温达到要求，而要实现这个控制要求就需要对二次侧供水温度进行自动控制。该系统由工控机作为上位机，PLC 作为底层的DDC 控制器[1]，搭配使用彩色显示器以及其它高品质的硬件设备，运用系统控制算法、组态等先进的软件，能够达到让系统实时地在显示器上显示热交换站运行情况[2]，从而运行在最佳状态下。

本系统主要由控制和监控系统两部分组成。其中控制系统又可分为温度控制系统、二次供水压力控制系统与二次侧定压补水系统[3]。温度控制系统通过PLC 调节一次循环泵的运行频率改变一次管网内的供水流量，而二次侧水温取决于一次侧的控制[4]，由此可以实现对供热室内温度的控制。二次侧供水压力控制系统的合理控制决定着热交换站运行的安全性和高效性。热交换站管道内多为高温热水，若供水压力不足，导致一些距离热交换站较远或是高层用户供热不足；但是若压力过大会造成输配能耗增大，并且极其不安全。本着提高控制效率同时保证节能的目标，二次供水压力控制系统采用PID 算法对变频器进行控制[5]，同时依据实际系统规模大小来决定变频器与循环泵的数量。二次侧定压补水控制系统保持热交换站需要的压差。在实际供暖过程中，热水管网不可避免的会发生漏水现象，导致整个管网的压力逐渐下降，整个系统的供暖能效降低。本系统通过变频器调节补水泵的运行频率实现对系统的补水，使系统工作在恒定的压力状态下。

监控系统采用了经典的上、下位机两级控制成。其中上位机应用组态王软件设计了组态画面，实现对整个控制系统的监控管理和控制功能。现场设备的直接控制主要由PLC 承担，实时采集并处理各种数据，然后及时将数据反馈至上位机。上位机与下位机的通讯通过现场总线进行。监控系统主要实现对数据的实时采集与处理，对温度与压力进行自动控制，通过上位机实现远程监控等。

2 系统硬件设计

2.1 温度控制设计

本系统中选用接触式的PT100 热电阻温度传感器，其不仅温度采集范围大(-200℃～+850℃)而且测量精度能够达到0.1℃,最为重要的是能够在湿度较高的地方进行正常工作。该温度传感器分别安装于系统一次侧和二次侧的供水管道上，实现对水温信息采集，并将所获得的信号转化为4～20mA 电流传递到PLC 中。因此该温度传感器能够满足系统工作需求。

本热交换站系统进行温度控制调节的方式是通过改变一次侧循环泵的运行频率，并将其运转频率作为输出值，结合温度传感器所反馈给PLC 的温度参数与预设定的给定值进行比较。由此来实现整个控制温度调节。整个温度控制调节环节能够自动做出相应的反应。系统具体运行方式：PLC 接收温度传感器所给出的反馈值后，用PID 算法给一次侧的变频器做出相应的指令，由变频器控制循环泵的运转速率。以此实现对一次侧高温热水流量的控制，同时改变了传送到换热器的热能，使二次供水温度稳定在了设定值附近。温度调节示意图，如图1 所示。

图1 温度调节

2.2 压力调节控制设计

本系统采用抗冲击能力强、响应时间快的PTG504 水压传感器，其工作电压为24V DC 并且能够在环境温度湿度较高的环境中正常运行。在本系统计中选用量程范围为0MPa～120MPa，同时将此水压传感器通过不锈钢防水密封端子进行电气连接，在这种湿度较大的系统中，延长了设备的使用寿命。该热交换站监控系统中，将水压传感器装置于一、二次侧管网的管道的内壁上，从而实现对管道内水压的测量，并将测量的压力值转换成0～10V 的模拟信号量传递给PLC。

在整个热交换站系统中，由于供暖系统中热负荷是一个不稳定值，其受到室外温度、系统自身热量流失等因素变化的影响，引起循环水流量的改变，从而导致管网压力随之发生变化。热负荷值与室外环境温度成反比，当室外温度较高时，相对应的热负荷就会较低，若仍然按照室外温度较低时情况下的热负荷供暖就会产生能源的浪费。为了杜绝产生浪费现象，本系统将室外温度分为两个阶段进行调节。若室外温度高于设定值，变频器将会控制循环水泵以0.75 工频运行[6]；当室外温度低于设定值时，循环泵将正常运行。在压力流量调节中，压力传感器读取管网压力后，将其所取得的数据反馈给PLC，然后PLC 对PID 调节器给出控制信号，再由调节器控制变频器进行变频，从而实现了对管网压力的控制。

2.3 执行硬件设计

热交换站系统执行硬件部分主要由换热器、变频器、循坏泵和补水泵等组成。换热器是整个热交换站系统中一个最为重要的部分，实现了热量之间的传递。变频器是系统运行调速的核心，由PLC 中来控制变频器的启停，再由PID 算法来控制变频器的实际控制，最后供给电动机带动循环泵以实现无级调速，达到循环泵的转速能够随着负荷的改变而进行自动调节的目的。在整个系统中变频调速指令将有PLC 与变频器合作完成，实现供水压力能够维持在设定的供水压力数值区间的目的，以此保证整个管网的水压恒定，是系统更加趋于稳定。本系统采取变频调速方式，主要作用体现在通过变频能够达到恒压供水，恒温供热并避免不必要的资源浪费，节能效果明显。

3 系统软件设计

3.1 控制系统流程图

当系统开始运行时首先需要设定二次侧的温度、二次侧水压与补水泵工作时的水压。将PLC 所采集到的二次侧温度与设定值进行比较，若未达到设定值，一次侧循环泵变频控制启动，通过调节一次侧高温热水的流量对二次侧供水温度进行控制。若达到则进行再对补水泵是否加入二次侧水压控制进行判断如果需要补水泵加入来对二次侧水压进行控制，则补水泵变频控制启动。若不需要则二次侧循环泵变频控制单独进行控制。二次侧水压反馈值与设定值进行对比，如果二次侧水压达到设定值，系统不再进行变频控制。热交换站监控系统的控制流程图，如图2 所示。

图2 热交换站控制流程图

3.2 报警流程图

在实际生产过程中常会出现各种因素影响系统稳定，这是报警系统就体现出了作用。在系统运行前需先设置一次侧的报警温度与报警水压。因为一次侧的高温循环水若不能达到标准势必会影响整个系统的供热效率。所以当一次侧的水温低于设定的报警温度时，系统发出报警信号。一次管网内由于只通过循环泵对水压进行控制，容错率较低，若不能及时发现水压失衡同样会影响整个系统的稳定。

3.3 PID 算法控制

本系统中采用了PID 算法通过PLC 控制变频器来改变循环泵工作效率，一次网管道上的变频器运行和二次网供水温度成正比。当二次网供水温度低的时候，变频器增加频率。当二次网供水温度高的时候，变频器降低频率。补水泵与二次循环泵也是同样的控制方式。

4 系统仿真与调试

本系统搭建组态的平台是组态王，用户能够对系统进行实时监控以保证工作在最佳状态。当总启动开关打到启动按钮时，一次循环泵、二次循环泵、补水泵和三个电机的运行指示灯亮起。系统默认以工频状态启动工作。组态能够实现对一次侧循环泵变频控制，二次侧循环泵变频控制与补水泵变频控制，同时能够显示一、二次侧供水压力与温度及循环水流量的变化。一次侧循环泵变频控制，当旋钮打到工频时，一次循环泵以50Hz 工频运作，而当二次侧供水温度需要改变时，旋钮打向变频，可以通过调节绿色滑块，对一次循环泵的工作频率进行调节，以实现对二次侧供水温度的调节。当二次侧的供水压力需要调整时，就需要二次循环泵与补水泵协作完成控制，操作方式与一次侧循环泵变频控制相同。二者可独立进行控制。组态王仿真界面，如图3 所示。

图3 组态王仿真界面

结束语

本文针对热交换站整体系统的控制要求，结合实际情况，设计了一套能进行实时检测、站内自动控制和报警的监控系统。整个系统包括了监控中心系统、热交换站自动控制系统，利用PLC 配置灵活、编程方便、控制可靠的优点再结合使用变频器能高效利用资源的特点。使整个系统稳定性有了可靠保障。而通过上、下位机之间的数据传输，实现了对整个系统的数据进行实时监控，保证系统能及时发现并处理紧急事件。