全自动无人值守供暖系统(电气自动控制方面)

摘要：我国建筑能耗与发达国家相比明显过高，而当今能源问题已经成为全世界普遍关注的热点问题。在供热领域采用新型供热方式、设备和系统，节能减排，是解决我国相对能源紧张和环境污染的很有效途径。供热作为一种特殊形式的商品（服务），供热的品质关系到广大用户的利益，供热的成本关系到热力公司的效益，如何通过技术手段达到既降低能耗又为用户提供满足标准的服务是我们要探讨的课题。在国家大力倡导下，城镇供热方式已发生了很大地变化，已经由原来各单位分散的锅炉供热，发展为一个城市由一个或几个热电厂提供热源，市内各小区由换热站集中供热形式，从热源的角度来看降低了燃煤、减少了污染。全自动无人值守换热机组是新型的换热设备，一般采用高效的板式换热器，设备采用计算机、触摸屏、变频器、可编程控制器、现场总线等现代先进技术，实现了智能化全自动控制。智能换热机组控制系统通过监测室外温度、一次侧、二次侧管网的压力、温度来控制一次侧调节阀开度，二次侧循环泵、补水泵转速和运行泵数量等，达到集中供热良好品质的社会效果与热力站低成本运行、经济运行的目的，并结合中国换热实际工况，进行二次开发，为不同需求的用户提供最佳方案。

关键词：PLC；无人值守换热站

Abstract: building energy consumption in China compared with the developed countries clearly too high, and today's energy problems have become hot issues of common concern to the world. In the field of heating using new heating way, equipment and systems, energy conservation and emissions reduction, is to solve the relative energy tension and environmental pollution is a effective way. Heat, as a special form of commodity (services), heating quality is related to the interests of the masses of users, heating costs related to heat the benefit of the company, how to use technology to reduce energy consumption and meet the standard of service for the users is our topic to explore. Under country advocates, the urban heating way has changed greatly, already from the original boiler heating units scattered, for the development of a city is provided by one or several thermal power plant heat source, the city's residential area by the heat exchange station form of central heating, from the point of view of the heat source reduces the coal, reduce the pollution. Automatic unattended heat exchange unit is a new type of heat exchange equipment, generally adopts efficient plate heat exchanger, equipment by computer, touch screen, frequency converter, PLC, field bus and other modern advanced technology, realized the intellectualized automatic control. Intelligent heat exchange unit control system by monitoring the outdoor temperature and the primary side and secondary side of pipe network pressure, temperature control valve to control a side opening, secondary side circulation pump, pump speed and running pump number and so on, central heating quality of the good social effect and thermal station low cost operation, economic operation purpose, and combining with the working condition of the heat transfer in China, to carry on the secondary development, provide the best solution for the different needs of users.

Key words: PLC; Unattended heat exchange station

中图分类号：TS914.3+2 文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

一、概述

智能换热器机组功能：智能化控制，控制功能齐全，控制精度高，运行稳定可靠。机组根据环境温度、一次及二次管网温度、压力等参数来调节热源及热水供给量，在系统运行中对热能、电能有明显的节约效果。系统组件可靠性高，系统压力、温度或流量自动控制，智能化、自动化程度高、易于操作。可远程监视与控制即所谓的SCADA系统。也可进行手动与自动的相互切换。无人值守型机组还可实现现场无需值班人员，由远程直接监控。机组布局合理，结构紧凑，占地面积小，节省基建投资，安装、维护方便，适用于各种供热场合和供热要求。

二、本地自动控制方案

可编程控制器通过对一次网电动调节阀的调节，二次网循环泵、补水泵变频器的控制，实现了多种供热模式的自动运行。供热的调节模式有改变二次网供水温度的质调节，改变二次网供水流量的量调节，改变温度和流量的联合调节几种模式。通过调节一次网电动调节阀改变二次网供水温度，供水温度可根据室外温度自动调节再复合时间修正，也可设置固定的数值。通过调节循环泵变频器改变二次网供水流量，变频器可由供水压力设置也可由供回水压差设置。换热机组的全自动控制提高了热量的利用率，提高了供热质量，通过变频器的使用也节省了电能。三、现场全自动无人值守控制方案

通过一次网电动调节阀控制二次网供水温度，并可进行室外温度补偿功能，根据二次网供回水压差或温差作为反馈信号，循环泵采用变频控制，二次网实现变流量控制，因此换热机组可在“大温差，小流量”节能状态下运行。根据二次网回水压力作为反馈的信号，补水泵采用变频补水；补水箱液位传感器可自动控制水箱液位，而且具有低液位保护功能；二次回水管路可加装泄压电磁阀，如二次回水压力超过设定值，电磁阀自动开启进行泄压至安全值后自动关闭；机组开机后可按预先设定好程序自动运行，管理人员只需定时对机组进行巡查。

四、远程监控自动无人职守控制方案(SCADA)

选择这种控制方式的换热机组除了具备以上控制功能外，还具有远程通讯功能，可选择不同的通讯方式：有线（ADSL、宽带通讯等）或无线（GPRS等)，并支持广泛的通讯协议（Modbus，TCP/IP协议等）。ADSL宽带，有线通信，网络覆盖面广，信号稳定，由电信部门负责维护。永远在线：用户可随时与网络保持联系。传输速率高：采用了分组交换技术，数据传输率高；GPRS网，覆盖面广：是在GSM网络上增加的数据通信业务。传输速率高：数据传输速率最高可达到171.2kb/s。永远在线：用户可随时与网络保持联系。按流量计费：按照用户收发数据包的数量来收费，没有流量传输不收费。根据目前通信网络的应用情况看，有线网络ADSL宽带网应用的普遍，无线网络GPRS网络应用的较广泛。

通过上述通讯模式，可以把换热机组一次侧和二次侧温度、压力、流量，室外温度和室内温度，循环泵和补水泵的运行状态和运行频率，电动调节阀开度等机组参数实时的上传到中央管理站，或与楼宇自控系统（BAS）进行连接，对换热机组的运行状况进行在线监测，并具有供水温度超高报警，回水压力过低报警，水箱液位过低报警，供水压力超压报警，超压自动泄压，断电自动保护和联动等功能。通过监控中心上位机与现场控制器的双向通讯，管理人员可对机组控制参数进行优化设定，保证换热机组始终处于最佳状态，一切尽可掌握。

五、说明：

现在作如下说明：

用中小型PLC已经足够满足无人值守换热站的控制要求，可以相应的完成调节阀PID闭环控制，循环泵PID自动控制，补水泵PID自动控制，现场温度，压力采集等等。利用RS485总线来控制设备的运行。每一个换热站需要一个PLC控制，如果需要远程监控，及SCADA系统的话，可以走工业以太网TCP/IP协议，RS485总线Modbus协议，或者GPRS直接无线传输到监控室，实现对每一个换热站数据采集与控制。

六、具体技术经验总结：

一次网调节阀的控制

电动调节阀控制一次管网来的热源，在经过换热器就可以实现热水循环，所以对调节阀的控制是本系统的重中之重，因为对调节阀的控制直接关系到用户的采暖问题。调节阀开度的大小与二次管网的热量呈现出一种对应关系，调节阀开度变小，二次管网的热量就减小，相反，调节阀开度变大，二次管网的热量就会增加。

所以，通过改变调节阀的大小可以改变用户的供暖质量。即改变一次网的“量”调节实现二次网的“质”调节。

我在实际项目设计中对于调节阀PID控制只做了PI调节，这样也很好的实现了调节阀的闭环控制系统。即当用户温度低的时候，调节阀开度自动的增加，当用户温度较高的时候，调节阀开度自动的减小，调节阀的变化充分体现了节能，环保的作用。在现场调试中遇到了一个现象，先简要说明如下，希望可以吸收经验，避免发生类似的情况。

理论上在二次管网温度未达到设定值得时候，调节阀应该继续增加，但是，实际操作时调节阀不但没有开大，反而呈现出不动或者关闭的状态。程序的实际是没有问题的，通过对这个现象的分析和设备的进一步检查，得出的结论是原带调节阀的工作压力太小，当调节阀开大的时候，压力增加，而原带调节阀承受不了那么大的压力，因而才出现这种现象。

传感器总结

换热站上面一般有5个温度，4个压力需要显示。需要纳入控制的有一次供回水温度，二次供水温度，二次供水压力，二次回水压力。如果需要温度补偿，可以用室外温度做个线性函数，通过PLC编程，或者上位机组态软件编程，实现分段函数温度控制功能。传感器从管道到PLC配电柜的引线，最好采用屏蔽线做信号线，而且引线的时候要和动力线分线槽布线，不然会影响数据传输，信号不稳定，干扰控制系统，带来不必要的麻烦。

循环泵的控制

整个系统的水循环是由循环泵提供，因此循环泵在本系统中的作用非常重要，循环泵实现二次供水压力的平衡，和补水泵配合使用达到用户采热的可靠性与稳定性。

循环泵的控制，出于对节能，自动功能的考虑，采用变频器做循环泵的控制。PLC做相应的数字量控制，和模拟量控制，来对水泵的频率、启停进行控制。如果为了减少成本，可以用RS485总线控制，这样既可以实现相应的功能，也可以节省硬件成本，比如CPU模拟量模块，等等。但是，硬件节省了成本做的相对简单，软件就相应的复杂一些。

现场做项目的时候遇到过这样一个情况：在用485总线走Modbus协议采集变频器频率，电流，电量的时候，数值惊人的扩到到几倍甚至是10倍。后来找原因是因为变频器功率很大，132KW，再就是接地不好，良好的接地是信号传输，或者总线控制的根本，所以信号线必须要有屏蔽层。

补水泵的控制

补水泵是二次回水压力的保证，也间接的是二次供水压力的保证。补水泵扬程比循环泵大，流量较循环泵小。可以说补水泵在整个系统中扮演“偷懒”偷懒的角色，因为补水泵在保证二次回水压力达到以后，就可以“睡眠”了。补水泵在二次压力达到后停止转动，这样可以节能环保，避免不必要的电量损耗。

5. 报警控制

报警在整个系统的作用也非常大，二次供水温度高限报警来控制调节阀，二次供水压力高限报警控制循环泵，补水泵。二次回水低限报警控制循环泵，等等，当然在做到系统稳定以后，只要程序较完美，这些报警1年中估计也不会发生，除非程序问题和设备损坏。

远程监控（SCADA）系统

如果换热站较多，十几个，或者几十个。这样可以采用上位机来做监控系统，对下面的所有分站做数据采集与监视控制。RS485网络常用，工业以太网也可以考虑，个人认为无线GPRS是最好的选择。只要有手机信号的地方，所有的数据采集与控制都不是问题。这样可以节省大量的人工布线工作量，成本也不高。所以说，无线传输是现在也是将来工业控制的发展趋势。

现在大部分的GPRS模块都支持组态软件，有相应的驱动即可。如果有必要，报警的状况可以以短信的形式发送到手机来通知换热站负责人，这样就可以随时，随地观察现场情况。如果手机是智能手机，如Windows Mobile操作系统，这样还可以开发一套软件安装在手机里面，像手机QQ似的软件，直接通过手机，观察现场的温度，压力等运行状况。所以说采用无线GPRS是一个既方便又实用的方法。

7. 系统整体总结

整个电气系统设计，软件设计和硬件设计都要完美的结合。硬件设计中，要注意同一台的水泵工频和变频不能同时运行，动力线和信号线要分线槽布线即电机的电源线和传感器的控制线要分开布置，二者必须分别放置在不同的金属管道或者金属软管内部，避免平行走线，这是因为谐波在传导过程中，与此电源线平行敷设的导线又会产生电磁耦合，形成感应干扰。变频器和PLC最好不在一个配电柜里面，要分开安装在两个配电柜里。主线路接线要接牢靠，不然在运行中会因为接线虚产生导线发热，发烫等现象。所有传感器的信号线都采用屏蔽线，并在控制柜里将所有的屏蔽层一同接地。传感器尽量采用电流型，电流信号在传输过程中比电压信号的抗干扰能力强。变频器的PE端要与控制柜及电机的外壳相连，要可靠接地。对于PLC的选择最好要选择大品牌，比如西门子S7200和施耐德M218都是不错的选择，性能稳定，功能强大，变频器ABB，丹佛斯，施耐德均可胜任。无人值守换热系统的调试主要是对几种核心控制环节的调试，如：电动调节阀、循环泵、补水泵；另外就是对一些关键的保护措施的调试，例如二次供回水的压力保护，水箱液位的低限保护。利用泄压阀来实现二次回水的压力保护，当回水压力过高（超过设定值）时，控制器通过数字输出继电器将其开启，达到泄压的目的，避免管网因压力过高出现问题。水箱液位的低限保护是将液位传感器的液位信号送入控制器，与设定的低限液位比较，当比设定值还小时，启动自保护，将补水泵的起停信号关闭，报警指示灯亮，从而避免了补水泵的空载运行。循环泵、补水泵、电动调节阀三个闭环调节回路都采用了PID的控制算法，PID控制即比例，积分，微分控制，PID控制器的参数整定对控制系统的稳定性影响很大，需要根据现场的情况认真整定。

无人值守换热系统，是未来供热行业发展的趋势，节省人力，电力，方便，快捷，实现全自动控制。它能节省能源，提高劳动生产率，降低工人的劳动强度，选型安装方便，占地面积小，具有突出的优点，已在集中供暖中得到了广泛的应用。无人值守换热系统是集中供热发展到一定阶段的必然产物，代表着集中供热的发展方向，它在提高热能的利用率，平衡热网方面有着不可替代的作用。

参考文献

[1] 张旭宾.基于PLC和组态软件监控系统设计[J].福建电脑，2009，（8）.

[2] 徐绍坤.可编程控制器应用技术[M].北京：中国科学技术出版社，2008.

[3] 邹金慧、黄宋魏、许江淳.基于PLC的磨矿分级智能控制系统[J].《自动化仪表》，2007，（11）.

[4] 薛迎成、舒锋、王瑞臣.工业组态技术基础及应用[M].北京：中国电力出版社，2009.

[5]袁秀英.组态控制技术[M].北京：电子工业出版社，2003.8.

[6]陈志文.组态控制实用技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

[7] 周美兰.PLC电气控制与组态设计[M].北京：科学出版社，2009.

[8] 中国工控网[J/OL].