無人值守?fù)Q熱站自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李國強(qiáng) 吳倩

摘要：無人值守?fù)Q熱站是指換熱站由自動(dòng)化系統(tǒng)控制，不需要人工控制、值班。系統(tǒng)可以自動(dòng)進(jìn)行故障診斷，并在監(jiān)控畫面上顯示各工況參數(shù)并控制設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)?？刂破骺梢酝ㄟ^這條曲線根據(jù)室外溫度傳感器測(cè)量的室外溫度對(duì)一次供汽流量進(jìn)行控制，以達(dá)到對(duì)二次供水溫度的控制。此設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于能夠通過室外溫度對(duì)二次供水的溫度進(jìn)行控制，以達(dá)到節(jié)省能源，提高供熱質(zhì)量的目的。

關(guān)鍵詞：無人值守；換熱站；自動(dòng)化控制系統(tǒng)；供熱

1 集中供熱面臨的形式

集中供熱是當(dāng)今使用最多，負(fù)荷面積大，控制方便的供熱方式。其結(jié)構(gòu)為：熱源、一次管網(wǎng)、換熱站、二次管網(wǎng)、用戶。熱能由熱源產(chǎn)生通過一次管網(wǎng)輸送到換熱站，由換熱站換熱后輸送給用戶。上述流程中熱源和換熱站都有著復(fù)雜的運(yùn)行系統(tǒng)，電器設(shè)備相互按需協(xié)作運(yùn)行是節(jié)能降耗的前提條件。供熱面積大、用戶地域分布廣、加壓設(shè)備負(fù)荷、用戶管道承壓的差異性決定了換熱站種類和數(shù)量較多。一個(gè)換熱站需要6個(gè)人員才能保證值班運(yùn)行。一個(gè)熱網(wǎng)系統(tǒng)需要很多的擁有技術(shù)資格的運(yùn)行人員才能保證熱網(wǎng)的運(yùn)行。對(duì)于熱力企業(yè)減少投入的人工成本和降低人員的損耗是經(jīng)濟(jì)方面迫不及待的問題。綜上所述需要設(shè)計(jì)一個(gè)無人值守?fù)Q熱站系統(tǒng)。其特點(diǎn)是換熱站能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化無人值守運(yùn)行、換熱站與熱源和換熱站與換熱站之間能進(jìn)行自動(dòng)化通訊。

2 無人值守?fù)Q熱站系統(tǒng)的分析

無人值守?fù)Q熱站系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為：中心控制室部分、片區(qū)中心站部分、換熱站就地控制部分、網(wǎng)絡(luò)通訊部分、外網(wǎng)拓展部分。下文分別分析和設(shè)計(jì)這五部分內(nèi)容。

2.1中心站控制室

中心站控制室主要完成對(duì)各換熱站就地控制的監(jiān)控功能、對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一決策。系統(tǒng)流程：中控室服務(wù)器利用上位組態(tài)王軟件采集網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)換熱站就地的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過全網(wǎng)平衡軟件分析后，服務(wù)器給出控制數(shù)據(jù)發(fā)送到每個(gè)熱力站的PLC（可編程邏輯控制器，是一種采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程）。PLC做出響應(yīng)調(diào)節(jié)換熱站的一次網(wǎng)回水電動(dòng)閥門。使二次網(wǎng)溫度高的換熱站較一次網(wǎng)閥門關(guān)小，減少這個(gè)站的流量。同時(shí)開大較低溫度換熱站的一次網(wǎng)閥門，讓其得到更多的熱能。這樣動(dòng)態(tài)的控制達(dá)到全網(wǎng)平衡的目的。同時(shí)中控室還具有生產(chǎn)報(bào)警功能，各換熱站PLC發(fā)送給中控室服務(wù)器的壓力、溫度、液位信號(hào)與組態(tài)軟件中的警報(bào)設(shè)定值比較，產(chǎn)生報(bào)警。通過上位組態(tài)軟件調(diào)節(jié)補(bǔ)水泵啟停、變頻器頻率來讓換熱站系統(tǒng)正常運(yùn)行。中控室的組成：服務(wù)器、防火墻、交換機(jī)、路由器、網(wǎng)絡(luò)終端機(jī)、電腦終端。

2.2 片區(qū)中心站

目前大城市化的發(fā)展速度越來越快，城市覆蓋的面積以驚人的速度增長。供熱居民區(qū)不僅數(shù)量多，而且分布廣。實(shí)際工作中，一個(gè)中心站控制室的人員面對(duì)300個(gè)或300個(gè)以上的熱力站進(jìn)行管理捉襟見肘。系統(tǒng)設(shè)計(jì)引入片區(qū)中心站概念，把龐大的供熱區(qū)域分解成為幾個(gè)片區(qū)。其功能是將中控室的數(shù)據(jù)發(fā)送到片區(qū)中心，操作員通過對(duì)片區(qū)內(nèi)各站數(shù)據(jù)的分析，快速做出反應(yīng)。同時(shí)無人值守?fù)Q熱站加裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，片區(qū)中心站可以分擔(dān)中控室對(duì)視頻監(jiān)控的工作。

2.3 換熱站就地控制系統(tǒng)

換熱站系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為：一次網(wǎng)供回水管路、換熱器、二次網(wǎng)供回水管路、循環(huán)泵、補(bǔ)水泵或一次直接補(bǔ)二次網(wǎng)電磁閥。根據(jù)工藝流程控制將系統(tǒng)分為以下幾部分。

2.3.1換熱站就地監(jiān)控系統(tǒng)

以換熱站就地控制器為核心，現(xiàn)場(chǎng)的溫度、壓力、流量、熱量、閥門開度、泵的啟停信號(hào)出送到控制器，由其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并判斷處理，實(shí)現(xiàn)就地控制。

2.3.2現(xiàn)場(chǎng)儀表和執(zhí)行原件

現(xiàn)場(chǎng)儀表和執(zhí)行原件包括：壓力表、溫度表、液位計(jì)、流量計(jì)、熱量計(jì)、液位、變頻器、電動(dòng)閥閥門。

2.3.3通訊系統(tǒng)

通訊系統(tǒng)可采用無線通訊、大型局域網(wǎng)通訊、大型局域網(wǎng)加互聯(lián)網(wǎng)的拓展模式通訊。

2.4換熱站就地信息采集原理

1）溫度方面：利用PT100熱電阻的特性：它的阻值跟溫度的變化成正比。PT100的阻值與溫度變化關(guān)系為：當(dāng)PT100溫度為0℃時(shí)它的阻值為 100Ω，在100℃時(shí)它的阻值約為138.5Ω。它的工業(yè)原理：當(dāng)PT100在 0℃時(shí)它的阻值為100Ω，它的阻值會(huì)隨著溫度上升而成勻速增長的。現(xiàn)場(chǎng)PT100熱電阻通過變送器將變化的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)由通信電纜傳輸給就地控制柜，信號(hào)由控制柜中的AI模塊接受并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳輸給PLC。PLC將數(shù)字信號(hào)按比例關(guān)系轉(zhuǎn)化到寄存器中。就地控制觸摸屏和中控室服務(wù)器從相應(yīng)的寄存器讀取數(shù)據(jù)處理后顯示到屏幕。

2）壓力方面：利用壓力變送器的特性：介質(zhì)壓力直接作用于敏感膜片上，分布于敏感膜片上的電阻組成的惠斯通電橋，利用壓阻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了壓力量向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，通過電子線路將敏感元件產(chǎn)生的毫伏信號(hào)放大為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。信號(hào)通過AI模塊到達(dá)PLC。

3）液位可采用壓力變送器測(cè)量，根據(jù)水的密度計(jì)算出壓力下水柱的高度。

4）循環(huán)泵變頻器方面：變頻器的通訊模塊發(fā)出的電流、頻率、故障信號(hào)，通過AI模塊到達(dá)PLC。

2.5換熱站自動(dòng)化控原理

PLC通過對(duì)采集信息的處理，根據(jù)程序設(shè)定做出反應(yīng)。

1）補(bǔ)水泵啟停：補(bǔ)水泵一般對(duì)二次管網(wǎng)的回水管進(jìn)行補(bǔ)水。PLC將采集到各二次網(wǎng)壓力和程序設(shè)定值比較，如果現(xiàn)場(chǎng)值低于下限設(shè)定值則 PLC發(fā)出信號(hào)到DO模塊，由DO模塊處理并發(fā)出24V電流信號(hào)作用補(bǔ)水泵電機(jī)繼電器吸合，達(dá)到補(bǔ)水功能。如果現(xiàn)場(chǎng)值高于程序設(shè)定上限則中斷電流信號(hào)，補(bǔ)水停止。這樣完成了一次自動(dòng)補(bǔ)水。

2）循環(huán)泵的控制： 中控室服務(wù)器或觸摸屏控制器對(duì)PLC發(fā)出信號(hào)，PLC接收并處理將啟停和頻率信號(hào)傳輸給變頻器，變頻器接收并完成動(dòng)作。部分采用了變頻器的補(bǔ)水泵配合補(bǔ)水程序能實(shí)現(xiàn)恒壓供水。

3）一次網(wǎng)回水電動(dòng)閥門的控制：全網(wǎng)平衡軟件通過服務(wù)器給予PLC調(diào)節(jié)電動(dòng)閥的信號(hào)。PLC處理信號(hào)后發(fā)送給AO模塊進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，AO模塊將處理后的模擬信號(hào)傳輸給電動(dòng)閥，電動(dòng)閥動(dòng)作。這樣完成了一次全網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)。

3 結(jié)語

本文分析和設(shè)計(jì)了集中供熱運(yùn)行現(xiàn)狀，根據(jù)目前先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)和高速、多功能的網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)快增長的供熱需求。設(shè)計(jì)出一個(gè)具有網(wǎng)絡(luò)化的無人值守供熱系統(tǒng)。分析了換熱站自動(dòng)化控制原理。這個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)踐證明是有效可行的。

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