无人值守换热站智能控制系统设计

无人值守换热站智能控制系统设计

王治学;刘沂

【摘 要】冬季采暖是我国北方民生不可或缺的重要环节,随着供热管网的不断扩大,如何对热网进行有效地控制和管理,提高其经济效益和社会效益,成为供热企业急需解决的重要课题.以PLC为核心,辅助上位机软件、远传设备等,设计了一套无人值守换热站智能控制系统,已投入实际使用.节约了运行维护费用、煤的使用量、人工运行费等,实现了换热站无人值守,降低了故障率并提高了工作效率.

【期刊名称】《电气传动》

【年(卷),期】2019(049)008

【总页数】5页(P57-61)

【关键词】无人值守;可编程控制器;换热站;智能控制

【作 者】王治学;刘沂

【作者单位】天津工业职业学院工业与信息化系,天津 300400;天津工业职业学院工业与信息化系,天津 300400

【正文语种】中 文

【中图分类】TM28

目前，北方大部分地区都采用集中供热的方式，适应了绿色环保发展的要求，减少了大气污染。供热站所产生的热能必须经过中间的热量转换才能输送到用户室内，换热站是连接用户和热源的重要枢纽。传统的换热站通过人工观测实时的温度、压力、液位等信息，来确定是否需要进行下一步操作以及进行哪项操作。工作人员难以做到实时和及时的监测，甚至一瞬间的疏忽大意就可能会导致危险的发生，这就对故障诊断及排查故障的及时性提出了更高要求。另外，人工成本、原材料成本等不断提高，企业需要开发新的技术和运营模式。

为解决上述问题，采用西门子S7-200 Smart PLC作为主控CPU，对温度、压力、流量、液位等采集数据进行处理，以RS485端口连接远传设备（data transfer

unit，DΤU），采用Modbus协议传输，通过无线网络传给供热站的上位机，供热站上位机可以对其下位换热站的运行状态实施监视与控制，实现无人值守的换热站智能控制，具有实时、准确和快速等特点。

1 基于PLC的换热系统分析

1.1 换热系统流程

供热站中的管网通常称为一次网（后文简称一网），换热站中的管网称为二次网（后文简称二网）。一网和二网的水在板式换热器（后文简称板换）进行热量交换，交换后一网的水回供热站，二网的水进入用户室内，具体流程如图1所示。

1）一网的循环。从供热站的锅炉中流出来的热水，通过一网供水管道进入一网分水器，由一网分水器把热水输送到下一级的换热站。在换热站中，由一网提供的热水进入板换，此时二网中的冷水也进入其中，两者进行热量交换，温度下降之后回到一网集水器，通过一网回水管道回到供热站的锅炉中再次加热。一网中水循环的动力由一网的循环泵提供。考虑到循环中可能出现动力不足的问题，采取在二网中加入二级泵，以保证循环的顺畅。

2）二网的循环。冷水通过二网集水器流入板换，与一网的热水进行热交换，温度提升后进入二网分水器，到达用户室内的管网中，之后再回到二网集水器，循环往复。二网中也需要加入循环泵用来提供水流的动力。考虑到循环过程中水流失的问题，可以启动一网和二网的补水泵从各自的水箱中抽水进入管网［1］。 图1 换热系统流程图Fig.1 Flow chart of heat exchange system

1.2 系统总体设计

基于PLC实现无人值守换热站的控制策略，即PLC根据采集到的各种信号及命令来自动控制补水泵、循环泵和二级泵的启停。通过系统硬件的构建来完成各种信号到PLC的传输，在下位机中采用MCGS组态软件进行现场的自动检测与控制，上位机采用“杰控”组态软件来实现远程的监控。通过DΤU（远传设备）连接上位机与下位机，进行数据的交换。

2 基于PLC的硬件系统构建

2.1 系统监测参数

换热站中需要检测的数据可分为：温度、压力、液位和流量4类共14种，分别由温度变送器、压力变送器、液位变送器和流量计测得。其中温度有5种：一网供水温度，一网回水温度，二网供水温度，二网回水温度，室外温度；压力有6种：一网供水压力，一网回水压力，二网供水压力，二网回水压力，二网循环泵出水压力和二级泵输出压力；液位有1种：水箱液位；流量有2种：二网回水流量和一网回水流量。需要说明的是，二网回水压力等于循环泵的入水压力，二级泵入水压力等于一网回水压力。

2.2 监测器件的PLC连接

压力变送器。实际硬件安装中通常会有2个测量压力的仪器：一个是方便现场观察和记录的压力表；另一个就是和PLC相连的压力变送器。压力变送器是两线制变送器，利用了4～20 mA信号为自身提供电能，变送器上有“+”和“-”2个端子，其中“+”端子接直流电源24 V正极，直流电源负极接PLC端子的模拟量输入正，模拟量输入负接压力变送器的“-”端子，形成回路。

温度变送器。温度变送器是有源器件，上面有电源端子和“+”，“-”等7个端子。电源可以是AC 220 V，也可以是DC 24 V，上面的“+”，“-”2个端子分别接入PLC模拟量输入的正和负端子；其它3个端子接PΤ100热电阻。此种温度传感器带有隔离功能，其可靠性和抗干扰性强。

除此之外，还有液位变送器和流量计。流量计是有源器件，电源L和N接入AC

220 V，上面的I+和I-分别接到PLC模拟量输入的正和负，形成回路。液位变送器选用无源器件，通过测量液体中的压力来换算成液位，与压力变送器的接法相同。

2.3 系统硬件构成

系统采用S7-200 Smart PLC作为主控CPU，因为采集信号中含有模拟量的输入和输出，所以需要再配置4个扩展模块，即2块EMAM06（4AI/2AQ）和2块EMAE04（4AI），PLC中COM口的3和8分别连接DΤU的A和B 2个端子，以太网接口连接下位机MCGS触摸屏。DΤU通过无线网络把数据传给上位机，上位机的命令也是通过DΤU传给现场的PLC。系统的整体结构设计如图2所示。

图2 系统整体结构Fig.2 Overall structure of the system

3 电气控制系统设计

3.1 水泵控制系统设计

整个系统的水泵包括：补水泵、循环泵和二级泵。三者运行条件类似，都是根据管网中的压力、液位等信息来进行PID控制的。

3.1.1 补水泵的启停控制

当二网回水压力小于目标压力时，启动补水泵。相比于启泵的条件，停泵的条件较多：1）当补水箱的液位到达低报警限位时停泵，当水箱中的水位高于低报警限位时允许启动。但是需要设置1个液位回差，不能以1个点作为启停的依据，而是需要1个区间的控制。低报警限位值加上0.3 m之后当作液位报警解除信号；2）管网中的压力过高时不能启动泵。解除时仍然需要加上0.05 MPa当作压力的回差；3）二次回水的压力故障不可忽视。由于压力变送器的信号是4～20 mA，而PLC模拟量输入模块的测量量程是2～20 mA，因此4～20 mA对应的PLC的数值是5 530～27 648，如果检测到低于5 530，就可以认为低于4 mA，这时有可能出现断线，属于故障状态；如果高于20 mA，有可能出现短接，也属于故障状态，不允许启泵；4）变频器的故障、手/自动模式的选择等，也是停泵时需要考虑的因素。补水泵的程序设计如图3所示，符号表如表1所示。

图3 PLC控制补水泵的程序Fig.3 Program of make-up pump controled by

PLC

表1 PLC控制补水泵的符号表Tab.1 Symbol table of make-up pump

controlled by PLC序号1 2 3 4 5 6 7 8 9符号补水泵故障输入补水泵自动输入补水泵启动标志水箱液位低报警二次回水压力故障二次回水压力高报警二次回水压力目标压力目标压力启动地址I 0.4 I 0.5 Q 0.1 M 1 0.6 M 1 0.5 M 1 0.4 V D 1 2 8

V D 1 6 V D 3 0 0

3.1.2 补水泵的PID控制

PID指令是基于用户在PID向导中指定的输入和输出执行PID功能。每次扫描都会调用该指令。当前值和目标值进行对比后，改变设备运行的速度。程序设计如图4所示，当补水泵PID标志为1时，如果当前值和目标值相差很远，设备就会100%输出，随着当前值逐渐趋于目标值，设备运行速度逐渐降低。PID控制的加入，降低了设备运行成本。

图4 补水泵的PID控制程序Fig.4 Program for make-up pump of PID control

3.1.3 循环泵和二级泵的控制

循环泵和二级泵的PLC控制可以参考补水泵。他们在解除报警信号时都需要加1个回差，都需要PID控制。循环泵是通过供回水压差做PID控制，二级泵是通过二次供水温度做PID控制。重要的是二级泵的选择可以降低运行成本。二级泵用来调整管网流量，其对供热站起到节能的作用，如果二级泵频率低，则管网中热水流动慢，消耗热量就低。管网中需要接入2个二级泵，其中一个作为备用，提高系统可靠性，可以采用2个相同功率的泵，也可以选用功率不同的泵，气温相对较高时启动小功率泵，气温相对较低时启动大功率泵，起到节能减排的作用。所有现场采集的信号和水泵组网均在下位机软件中，系统如图5所示。

图5 下位机软件控制流程图Fig.5 Flow chart of lower computer software

control

3.2 模拟量的计算

PLC输出的模拟量是16位二进制，而习惯的读数方式是十进制。所以需要把16位二进制模拟量转化成为32位浮点数。以二次供水温度为例，温度变送器采集到的信号是4～20 mA的电流值，根据不同的量程要换算成实际的温度值。程序设计如图6所示。

图6 模拟量计算程序Fig.6 Calculation program of analog

第1步把输入由16位整型数转换成32位整型数，传给中间1变量；第2步把中间1变量转换成浮点数传给中间2变量；第3步把温度变送器的高位与低位限位值相减得出量程，传给中间3变量。如果模拟量输入值高于5 530，判断为大于4

mA的有效值，用这个值减去5 530，结果传给中间2变量，再除以22 118（22

118=27 648-5 530为4～20 mA量程），再乘以中间3变量的量程，得数传给输出变量。输出变量中的值即为可读的温度值。考虑到温度变送器的低限不一定是零，输出变量加上1个低限值才得到最终的温度值［2］。

3.3 DTU技术应用

DΤU是一种物联网无线数据终端，利用公用运营商网络为用户提供无线长距离数据传输。传统的DΤU采用的是GPRS技术，这是基于2G网络。系统采用的是基于4G网络的DΤU模块，在速度和稳定性上都优于前者。其硬件连接简单，1#端口PWR和2#端口GND接DC 24 V电源，8#端口A和9#端口B分别接PLC

COM口的第3针和第8针［3-4］。