城市供暖换热站变频调速设计

1城市供暖换热站变频调速设计摘 要 随着我国供暖技术以及区域集中供暖技术的发展，供暖系统对供热量的控制要求越来越精确，节能指标也越来越高。以自动控制理论为基础，通过使用 PLC 完成对换热站一次水温度流量、二次水温度压力以及室外温度等参数的采集监控，二次水网采用 PID 恒压控制，以一次供水流量为被控量，根据室外温度选择最优需求热给定值，通过调节一次供水一级泵的频率，改变一次水供水流量从而改变换热器供热量，形成流量内环、热量外环的串级控制系统，从而实现供热量的调节。加入气候补偿，使用变频调速技术控制水泵，既提高系统可控性又产生十分显著的节电效果，具有显著的节能效果和广泛的应用前景。关 键 词 变频调速，气候补偿，串级，PLC，PID集中供热能实现能源合理、高效率利用、减少环境污染、促进生产、改善人民生活，是加速城市现代化建设的有效措施和重要途径。集中供热已成为我国冬季供热的一种主要形式 1。城市集中供暖由热源、换热站、用户热网三个部分组成。集中供暖的供暖温度调节采用自动控制，能够实时地随室外温度的变化而自动调节供暖参数，以满足用户的需要。城市集中供暖具有节约能源、减少污染、有利生产、方便生活的综合经济效益、环境效益和社会效益 2。但目前常见的控制系统存在着供热不稳定、供暖调节不及时、供热质量差等缺点。为解决上述问题，本设计在基于西门子 PLC 的基础上，设计了换热站变频调速控制系统，并添加了气候补偿机制，最终实现了换热站控制系统的高效稳定运行，调节及时、准确。1 总体设计方案换热站前端经一次水网连接供热源，后端经二次水网连接热用户。一次水网的流量决定了经换热器交换到二次水网的热量，而二次水网携带的热即供向热用户。而如果靠改变二次水网循环水流量来实现对供热用户的供热改变，则会造成二次水网中出现欠压或者过压的情况，从而影响了供热质量。同时二次水网运行中不可避免的存在水流失而造成欠水欠压的情况。基于以上所述工况，本文设计的控制系统包括对一次水一级泵的串级控制，二次水循环泵的PID 恒压控制，二次水补水泵的 PID 控制。为了使控制过程更加精确、供热质量更加优化，本文加入了气候补偿机制，根据室外温度实时改变供热量，为了使控制过程的监控管理更加方便，本文中设计了人机组态画面。1.1 硬件选型根据换热站控制的工艺要求，对于换热站变频调速设计主要需要以下硬件：一次水网供回水温度传感器，一次水出水流量传感器；二次水网供回水温度传感器，压力传感器；城市供暖换热站变频调速控制系统设计2室外温度传感器；一次水网循环泵及变频器；二次水循环泵及变频器；二次水补水泵及变频器。结合系统工况，硬件型号选择如下：管道水温度检测使用 Ni 100 标准电阻温度计。室外温度检测使用 Ni 100 气候电阻温度计。压力传感器，选用上海极典电子有限公司 JPE 系列压力传感器。量程范围是 0-1Mpa,为了防止传输过程中的干扰与损耗，我们采用输出信号为 420mA。变频器选用西门子 MICROMASTER 420变频器 V1.1 版本。变频器与 PLC 通过 profiBUS-DP 总线连接，profibus-DP 总线选用西门子 PLC配套电缆。PLC 选用 SIMATIC S7-3003 。CPU 采用 CPU 313C-2 DP，结合现场信号，模拟量输入模块采用西门子模拟输入模块 SM 331 AI 8 x 12 位（两块） ，SM 331 AI 8 x RTD 一块。1.2 硬件总体设计结构图根据以上硬件，设计如图 1 所示硬件总体设计结构图：图 1 硬件总体设计结构图2 系统硬件配置2.1 变频器参数设置 4 本系统中变频器通过 profibus-DP 总线与 PLC 连接，变频器作为从站，需要对变频器按硬件组态，设定相应地址。具体如表 1： 表 1 变频器参数设置需设定的参数 描述上位机组态画面二次回水温度压力检测室外温度检测一次水一级泵变频器 二次水循环泵变频器 二次水补水泵变频器西门子 PLC一次供水温度流量检测一次回水温度压力检测二次供水温度压力检测profiBUS 总线3P0004 = 20 选择通讯参数浏览P0918 = 5 一次水网循环泵变频器地址P0918= 6 二次水网循环泵变频器地址P0918 = 7 补水系统补水泵变频器地址变频器硬件配置如图 2：图 2 变频器硬件配置图2.2 模拟信号设置 系统为排除信号干扰，输入模拟信号统一采用 420mA 电流信号。420mA 电流测量范围内模拟值的表示如表 2：表 2 420mA 电流测量范围内模拟值的表示系统字十进制 系统字十六进制 420mA 电流27648 6C00 20mA20736 5100 16mA1 1 4mA + 578.7nA0 0 4mA3 控制系统设计3.1 二次水循环泵 PID 恒压控制在二次水网供水循环中，根据热用户供热工况预设出合理参考压值，检测二次供水的压力，与该参考压值作比较，如果实际压力过大或过小，则通过调节二次供水的流量改变二次水的压力，L1L2L3PEMM420 变频器L1L2L3GND1920UVWGND故障触点关闭=正常总线西门子 PLCM水泵城市供暖换热站变频调速控制系统设计4再检测二次供水的压力，如未达到参考压值，继续调节，若达到设定值，则平稳运行。系统方块图如图 3：图 3 二次供水恒定压力控制系统方块图3.2 补水控制。本设计以二次水网回水压力作为补水泵的检测信号，补水泵的运行分别预设一个启动压力值和停止压力值，当检测信号达到启动压力时，补水泵开始变频补水；当检测信号上升至停止压力时，补水泵停止补水。系统方块图如图 4：图 4 补水系统恒定压力控制系统方块图3.3 一次水网控制3.3.1 气候补偿本设计为使供暖控制更加及时准确，控制质量更高，加入了气候补偿机制 5。本设计采用经验值气候补偿方法，即将热用户耗热历史信息分时段做科学的汇总与统计，形成经验值表。提供系统参考的预设经验热值。3.3.2 串级控制一次水网的调节中，以经验热为参考值，同时检查一次水循环出回水温度，通过控制一次水的流量，从而可以改变一次水提供的热，而在换热站换热效率一定的情况下，实现了对二次水网，即热用户供热的调节。将此热量环作为串级控制的主循环，此回路中的 PID 控制器为主控制器。将主控制器的输出经热量流量转换，作为内环 PID 控制器的参考值。流量传感器检测一次水网中参考压力实际压力偏差值控制器 变频器 循环泵压力传感器给定压力实际压力偏差值控制器 变频器 循环泵压力传感器5的水流量作为控制量与参考值作比较，经副控制器调节后将控制信号直接以一次水循环泵电机控制字的形式写入电机，达到控制。从而形成了外环热量环，内环流量环的串级控制系统。系统方块图如图 5：图 5 一次水网串级控制系统方块图4 人机画面组态4.1 总画面本 设 计 使 用 的 组 态 软 件 是 组 态 王 ， 组 态 王 亚 控 科 技 根 据 当 前 的 自 动 化 技 术 的 发 展 趋 势 ，面 向 低 端 自 动 化 市 场 及 应 用 ， 以 实 现 企 业 一 体 化 为 目 标 开 发 的 一 套 产 品 。 在 主 画 面 中 ， 温 度压 力 仪 表 均 模 拟 就 地 指 示 ， 在 切 换 进 入 运 行 状 态 时 ， 对 应 仪 表 下 数 字 即 显 示 为 对 应 的 测 量 值 ，换 热 器 采 用 一 般 反 应 容 器 模 拟 。 详 细 总 画 面 如 图 6：图 6 主画面4.2 气候补偿画面本设计中采用串级控制，其中添加气候补偿机制。气候补偿即表示了室外温度与热用户需求经验热实际热量偏差值 主控制器 变频器循环泵温度传感器温热转换副控制器流量传感器城市供暖换热站变频调速控制系统设计6供热的相互关系。图中，横轴表示一次循环泵工作频率百分比，纵轴代表室外温度占量程（-30-10）百分比。该气候补偿画面底层可修改，这样就使其具有一定程度的通用性。具体画面如图7：图 7 气候补偿曲线图4.3 数据库画面系统正常运行，现行室外温度与对对应供热，对以后系统数据以及气候补偿是有益补充和优化。所以人机画面应该具有数据库功能，即能够实时将温度与供热数据记录，以备之后调用，做数据支撑。数据库内容包括，日期、时间、室外温度、供热量。点击“插入数据” ， “数据查询” ，数据表则实时显示从上次记录到此时的所有运行数据，同时数据备份到数据库表中，方便数据存档及永久调用。具体画面如图 8：7图 8 数据库画面4.4 趋势图画面本设计全系统分三大循环。一次水网中采用串级控制，即有主、副控制器。二次水网中有恒压控制，补水网定压控制，即一共四个控制器。设计中采用 PID 控制算法，每个控制器的参数可以通过人机画面直接修改设定，当设置不同的控制参数，系统产生不同的响应曲线。系统初始设置了最优响应曲线，所以控制参数的设置使响应曲线追踪最优曲线，投入运行即可。画面如图9：城市供暖换热站变频调速控制系统设计8图 9 系统趋势图画面5 结论与展望通过本次研究设计的基于西门子S7-300 PLC设计的城市供暖换热站自动控制系统硬件配置、二次供水PID恒压控制设计、一次供水结合气候补偿机制的串级控制系统设计、软件编程和人机交互画面组态等设计，使换热站的一次水循环、二次水循环、换热量调节、气候补偿得到了准确的检测和精确及时的控制。本研究虽然提出了一些解决方案，对传统供暖控制系统有一定优化，但由于受时间和实际条件限制，本次设计仍然存在很多不足和待提高之处，在本次设计中使用串级控制是设计亮点，同时结合了经验热的气候补偿，相较传统设计方案有所改进，也在一定程度生克服了传统供暖的不足之处，但其在实现过程中仍存在较多滞后之处，比如针对新供暖用户，不具有供热历史记录时，系统该如何选择供热。因此，研究出控制更加精确、调节质量更优以及适用范围更加普遍的控制系统是未来研究的课题，比如气候补偿与添加室内温度调节、风力和湿度参数影响调节相结合等。9Abstract With the development of Chinas heating technology as well as district heating technology, heating system for heat control requirements have become more accurate, more and more energy-saving targets. In urban central heating heat exchanger station frequency control technology and climate compensation control, heat transfer station control system can be adjusted in real time as the outdoor temperature changes for the heat, but also has significant energy efficiency. Automatic control theory, by using the PLC to complete a water temperature of the heat transfer station traffic, secondary water temperature and pressure as well as outdoor temperature and other parameters of the acquisition monitoring, secondary water network with the PID constant pressure control, to a water flow control volume, according to the outdoor temperature and select the optimal demand heat given value, by adjusting a water level pump frequency, changing the water once the water flow thereby changing the heat exchanger for heat, the formation of the inner loop flows, the heat of the outer ring cascade control systems, thereby to achieve the regulation of the heat supply. Add to climate compensation, the use of frequency control technology to control the pump, both to improve the system controllability and produce energy-saving effect is very significant, significant energy efficiency and broad application prospects.Key words Heat transfer stations, frequency control, climate com