基于PLC的换热站控制系统研究毕业论文.doc

基于PLC的换热站控制系统的研究毕业论文目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1 集中供热系统综述11.1.2 集中供热的优势11.2 国内外集中供热现状21.2.1 国外集中供热现状21.2.2 国内集中供热现状31.2.3 供热监控技术的发展41.3 课题研究意义61.3.1 需求与能耗关系61.3.2 课题意义61.4 课题研究的主要内容7第2章 换热站控制系统概述92.1 换热站工作过程92.1.1 换热站构成92.1.2 换热站运行原理102.1.3 热网与热用户连接方式102.1.4 供热调节方式112.2 换热站控制系统122.2.1 换热站控制系统组成122.2.2 自控系统的控制方法132.3 本章小结17第3章 换热站控制系统设计183.1 控制系统的组成结构183.2 换热站温度控制183.2.1 温度控制方式分类193.2.2 温度控制PID223.3 供回水压差控制253.3.1 变频调速263.3.2 变频调速的原理273.3.3 循环泵变频硬件设计293.3.4 循环泵变频软件设计303.4 二次回水定压控制333.4.1 补水定压的作用333.4.2 补水定压方法333.5 变频调速恒压供水353.5.1 变频调速恒压供水节能分析353.5.2 供水控制系统363.5.2 压力信号检测373.5.3 补水泵变频调节硬件设计373.5.4 补水泵变频调节软件设计383.6 本章小结40第4章 上位机监控设计414.1 上位机系统介绍414.1.1 上位机监控过程414.1.2 应用组态软件414.2 上位机人机界面的设计434.2.1 监视部分软件设计444.2.2 管理控制部分软件设计464.3 上位机与控制器间通讯设计484.4 本章小结49结 论50参考文献51致谢54附录1 开题报告55附录2 文献综述62附录3 中期检查68附录4 英文原文资料74附录5 英文文献翻译82III第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题背景1.1.1 集中供热系统综述 集中供热(又称区域供热)是在当今社会，伴随经济的发展和科学技术的进步发展起来的。集中供热是指以热水或蒸汽作为热媒，利用一个或多个热源通过供热管网、热交换站等，向一个城市或城市中较大区域的各热用户提供热能的方式。集中供热是相对于分散小联片锅炉房供热而言的。在我国北方广大地区，冬季城市供热是人们普遍关心的问题。随着社会的发展，节能、降耗、环保意识的增强，特别是工业自动化技术水平的提高，供热方式也在发生深刻的变化，正逐步由集中供热方式取代以往的分散供热方式。这不仅是完善城市基础设施、促进城市现代化的客观要求，更是国民经济可持续发展、提高城市人民生活水平的重大举措，具有明显的经济效益1。在集中供热系统中，热网与热用户的连接方式分为直接和间接连接两种。在大型供热系统中，供热区域面积大，供热调节滞后现象严重；采用热网与热用户直接连接的方式往往难以实现对某一供热区域的局部调节；供热系统的控制难度增大，容易形成“近热远冷”的状况及水力与热力工况的失调：供热品质及效果难以得到保证，不利于供热系统的节能运行2。间接连接，在供热管网与热用户间建立换热站，将供热管网输送的热媒加以调节、转换，根据用户的需要分配给各个热用户。这种方式有利于对供热区域实现局部调节，满足热用户的用热需求，使得供热系统经济、节能、安全可靠运行成为可能。1.1.2 集中供热的优势 集中供热之所以得到了迅速发展，是与其自身特点分不开的，集中供热与分散供热比较，有很多优点。首先：减少大气污染。用一个集中的热源热电厂或集中供热锅炉房，代替众多的分散的锅炉；用一个高烟囱代替数百个低矮的小烟囱，变面源排放为点源排放，大大的减少了环境污染。其次：大大节约能源。利用热电厂大容量、高效率的锅炉，代替小容量、低效率的锅炉，达到节约能源的目的。其三：提高供热质量。分散供热是间断供热，供一段，停一段，供热不稳定；集中供热是连续供热，并根据负荷及时调整，无论室外如何变化，室温始终保持一定。其四：低噪音，扰民少。分散供热热源点靠近居民区，产生的噪音直接影响周围居民；集中供热热源点远离居民区，可以有效防止噪音对居民的影响，减少扰民。其五：自动化程度高。集中供热的供热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热参数，以满足用户的需要，同时亦可以减轻工人操作上的劳动强度。其六：设备故障率低。由于集中供热可选用供热专用设备，其设备质量高于一般的工业设备，故运行安全可靠，故障率低3。所以，城市集中供热是节能、环保的重要途径，是城市现代化的主要基础设施之一，也是经济发展，改善人民群众物质生活的重要标志之一。1.2 国内外集中供热现状1.2.1 国外集中供热现状 集中供热在欧美国家已经有一百多年的历史，美国从1877年、俄罗斯从1903年开始就有了集中供热工程13J。欧洲特别是挪威、瑞典和丹麦的供热技术非常具有特色，它们利用海水、湖水、地下水等作为热源，通过热泵装置获取热水作为冬季供热之用。在瑞典，容量最大的热泵站位于斯德哥尔摩，利用海水作为热源，供热能力达到160MW。丹麦的集中供热尤其著名，在从1985到2005年的20年中丹麦的集中供热占整个热力市场份额从30增加到了604。从20世纪70年代能源危机以来，一些发达国家制定了有关供热节能的政策、法规以及相配套的技术措施，特别针对供热系统安设自动控制装置，以使用户能够充分利用自由热，对舒适度提出了明确的要求。国外发达国家的先进集中供热系统均为动态的变流量系统，其调节与控制技术先进，调控手段完善，设备质量高，在换热站的二次水系统中均安装有变频调速的水泵，差压控制器、电动调节阀、气温补偿器以及回水温度限制器等设备，有了一整套成熟的供热系统运行模式。国外供热系统大多在用户入口有温控器维持温度，有循环泵保证流量；在热源处采用集中质调节或量调节，由于量调节的节能效果显著，在国外得到普遍应用。这种集中和局部自控装置的设置，自动调节用户用热量的变化，保证了室内热舒适的要求，有效减少了热能的浪费5。国外，比如美国、法国、日本、俄罗斯、芬兰、德国、丹麦等国家，为适应经济转型的要求及节能的需要，近些年来也陆续加大了对现有集中供热系统的改造，逐步建立起计量供热的收费体系。在法国，能源节约局曾做过很多次试验以确定节能效果。实验结果显示，在实施供热计量收费的两年中，节能率为1525。由于这些研究都是针对各个国家的具体情况而做出的，没有上升到系统的、适用性广泛的理论高度，因此不能照搬用于我国城市民用建筑集中供热的节能。1.2.2 国内集中供热现状我国城市集中供热与世界发达国家相比起步较晚，在上世纪五十年代建设了第一批区域性热电厂。到二十一世纪初，我国城市集中供热发展迅猛，2009年全国668个城市中已有近400个城市建设了集中供热设施。集中供热工程在我国的迅速发展取得了明显的节约能源、改善环境的综合效益，成为城市治理污染和提高能源综合利用率的必要手段之一，是提高人民生活质量的公益性基础设施，符合国家可持续发展战略。建设部领导曾在全国供热计量改革经验交流现场会讲话中强调，各地要加快改革步伐，尽快把供热改革措施落到实处。由于我国目前集中供热基础设施较差，短时间内实现按需用热和分户计量难度较大，目前仅仅是在沈阳、长春等试点城市和北京、天津等大城市的试点小区中采用。从2003年建设部等8部委下发关于城镇供热体制改革试点工作的指导意见以来的8年间，累计约有13.3亿平方米的新建建筑达不到热计量收费的要求，无法实施按实际使用热量收费，造成“节能建筑不节能，用户节能不省钱”的局面。目前，供热动态变流量自动调节控制设备及热量计量仪表也只是处在研讨和试用阶段。与国外发达国家相比，我国目前的集中供热系统还相当落后，主要体现在能源利用率不高和热能损失。据预测，2020年约缺能8， 2040年将缺能24，所以提高能源利用率和减少热能损失迫在眉睫6。造成我国供热系统相对落后的主要原因是：(1)低效率、低品质、高能耗。国内供热系统目前多处于低效率运行，采用的控制方式多为“大流量小温差控制，“大马拉小车现象严重，实际供热面积只占供热设备额定负荷的40%左右。热量规划不合理，管网运输效率低、管道泄漏和偷水现象严重7。(2)缺乏有效的检测和控制手段。我国现行的换热站运行管理仍处于手工操作阶段，大部分仅以二次网回水温度值为标准，难以保证远端用户热品质；操作人员难以及时准确的获得远程数据，无法对运行工况进行系统的分析判断；系统运行工况失调难以消除，造成用户冷热不均，供热量与需热量不匹配，热能大量浪费。(3)缺乏有效的节能措施。在我国，集中供热方式日益普遍，虽然在当前基础条件下难以实现按需用热和分户计量，但是可以在较少的投入下，应用先进的控制技术和自动调节装置实现分时段、分区域供热，有效的提高节能效率。 1.2.3 供热监控技术的发展 供热系统监控技术的发展随着国家集中供热的发展而发展，大致分为3个阶段。(1)手动操作由于集中供热刚刚开始，属于初创时期，规模不大，管理比较简单，主要是管理几条供热管线和为数很少的热力站。根据现有资料表明，这一阶段的监测仅仅是就地测量仪表提供参数，供热管线上的参数是靠巡线人员步行或骑自行车到就地抄表和记录，只是运行工作人员根据规定参数和工作经验进行手动操作，机械劳动强度大，已逐步淘汰。(2)继电器触点控制系统随着我国国民经济和工农业生产的发展及人民生活水平的不断提高，能源的消耗不断增加，“热”的需求愈来愈大，为弥补热源厂提供的蒸汽不足，各地相继建起了一些蒸汽厂、热电联产复合型电站、锅炉房等各种各样的热源厂。集中供热得到了长足的发展。由于集中供热管网和供热机组的加大，管理、控制与监测的矛盾显现出来。用以保证安全、经济、环保等方面的要求。多数热网只是局部或区域实现了实时监控。虽然，这方面有所进步，但调度人员，给调度的及时性、准确性带来很大的困难。这种控制方式与程控方式相比较，存在的主要不足是：功能差，自动化程度低，运行操作人员劳动强度大；控制设备器件多，接点多，接线复杂，任何一个故障点都会影响整个系统的正常运行，造成可靠性下降，维护、维修难度大；在施工和运行期间，由于工艺要求和设备的变化，控制逻辑经常要进行修改，继电器逻辑电路也要进行修改，周期长，修改难度大。由于继电器逻辑电路存在众多缺点，所以大多数采用继电器逻辑控制的热电厂辅机系统，尤其是较为重要的控制系统，往往不能正常运行，或者运行一段时间以后不得不改为就地操作，给生产和运行带来困难。(3)以计算机为基础的专用工业计算机程序控制随着市场经济和竞争机制的引进，热电厂开始采用大容量机组，使得供热(暖)用户成倍增加。以计算机为基础的专用工业计算机程序控制技术基本上能满足生产需要，也是当今乃至今后研究发展的方向。专业工业计算机的引入更能够提高系统的参数动态优化，自动化管理和远程通信功能，这代表着中，大型换热站控制系统的发展方向。利用先进的工业自控技术、计算机技术、通讯技术构成的换热站及远程监控管理系统，对热力系统实施更科学、更规范的监控管理，提高中央调度室的监控能力，具有非常巨大的经济和社会效益。供热系统的控制正朝着远程控制、无人值守热力站、实现自动化控制的方向前进8。总而言之，当前我国集中供热网络监测系统的好坏，对于一个供热单位来说是有天壤之别的影响，也只有优质的监控与管理才能最终达到提高经济效益的目的。1.3 课题研究意义1.3.1 需求与能耗关系 随着经济的发展，全国范围内环保、节能的呼声越来越高，利用先进的科学技术，合理分配热量，让现有的热能充分发挥作用，为更多的用户提供更好的供热服务是供热企业的首要任务。下面的坐标图形象地说明了需求与能耗的关系，如图1-1所示。图中的斜线称为服务曲线。很明显，需求越大，提供的服务越多，能耗量也就越大。如果试图保持原有的能耗量来满足更多需求，唯一的办法是减少服务曲线的斜率，即提高能源利用率。 图1-1 需求与能耗间关系从图中还可以看出，服务曲线的起点并不是原点，这一段能耗量称作“固有能耗”。它主要包括：设备“大马拉小车”；设备或管道的“跑冒滴漏”和冷热损失。这一部分纯属无谓的耗能，需要尽量减少或消除。本系统设计的指导思想是：以提高能源效率为目标，降低各种能耗，同时对供热系统有效控制调节，消除“大马拉小车”的现象，提高系统可靠性，提高管理人员素质，降低固有能耗9。1.3.2 课题意义同时，技术的发展也对整个供热监控自动控制系统提出了新的要求：保证管道良好的通水工况、系统必须安全可靠、具有节能降耗功效、全自动负荷调节、系统参数实时准确、历史数据记忆、故障安全保护和报警、系统状态在线分析、现场工况模拟、人机界面友好等。针对以上问题和要求，本论文以集中供热系统中换热站的自动控制系统为主要研究对象，此系统采用S7-200CPU226PLC 和ABB ACS140 变频器调节循环泵或补水泵的输出流量，达到了调节温度和恒定压力的目的，提高了控制精度，温度控制精度小于3，压力控制精度在1以内，更重要的是节约了能源，降低了供热设施的运行费，节电达到35以上；采用由AL809 智能PID 调节器组成的二次供水温度调节控制回路，通过智能PID 算法，并结合户外温度使二次供水温度达到设定的温度，满足用户室内温度要求，使换热站做到既经济运行又保证供热质量，达到最佳工况；结合现场总线技术、系统冗余技术、将现场所有控制设备构建为分布式系统，运用以太网模块无线传输数据可以实时快速地将换热站现场数据发送到远程监控中心，实现供热运行的动态跟踪监视。通过软件编程和软硬件组态技术实现换热站的现代化监控与管理10。本课题的研究，是过程控制与现代先进科学技术的有机结合，使得现代新技术在传统的换热站控制中得到推广和应用。通过实时监控，可及时调控网络连接的换热站运行情况并可节省成本。实时诊断供热运行的隐患，使供热安全、正常和节能地运行。随着电气控制技术飞速发展、网络技术快速普及、高度自动化智能化的自动控制系统越来越引起人们的重视，对于我国走节约型经济模式，可持续发展道路而言是十分必要的。1.4 课题研究的主要内容针对目前供热系统出现的问题，本文设计了换热站自动控制系统，对大型供热区域实现集中调节。系统采取就地控制站与上位监控机通信相结合的方法，对一次网和二次网的供回水温度，供回水压力，供水流量，循环水泵转速，旁通阀开度等参数进行监控。并通过以太网与上位机进行通信，使远数据能够及时反馈到供热中心，在供热中心对各换热站进行统一调度。本课题主要研究了以下内容：1根据设计要求和设备现场的实际情况，统计现场开关量以及模拟量的具体点数，选择PLC及其扩展模块的类型，确定各设备的分布情况和整个系统的自动化监控方案；2对换热站节能潜力进行分析，监控各个环节的运行工况，进行数据采集处理，并提出具体控制方案；3根据选定的系统控制方案及PLC类型对PLC及其对应扩展模块的具体型号和数量，确定所要用到的上位及下位软件，并进行相应的上位机、下位机软件编程。；4在全面分析系统功能和系统软硬件设备的基础上，确定控制系统各硬件及模块的连接方式和整体结构，设计出系统的通信网络架构，并对系统主、从站地址和IO地址进行分配；5对设计的整个控制系统进行调试，分析和解决调试过程中出现的相关问题。89 第2章 换热站控制系统概述第2章 换热站控制系统概述2.1 换热站工作过程 2.1.1 换热站构成 换热站和热水管网是连接热源和热用户的重要环节，在整个供热系统中起着举足轻重的作用。换热站的作用是将供热管网输送的热媒加以调节、转换，根据用户的需要分配给各个热用户。换热站的主要设备有：水一水(汽一水)换热器、离心式水泵、控制柜、热水储水箱、过滤器、补水箱、调节阀门、热媒参数调节和检测仪表、防止用户热水供应装置生锈和结垢的设备等。其硬件设备构成图如图2-1。图2-1 换热站构成图热水管网又分为一次网与二次网，一次网是指连接于城市管网与换热站之间的管网。二次网是指连接于换热站与热用户之间的管网。换热站是指连接于一次网与二次网并装有与用户连接的相关设备、仪表和控制设备的机房。它用于调整和保持热媒参数(压力、温度和流量)，使供热和用热达到安全经济运行，是热量交换、热量分配以及系统监控、调节的枢纽11。2.1.2 换热站运行原理换热站的工作原理为：热源提供的高温水由一次热网送至各换热站，在换热站中，一次热网高温水通过换热器与循环水相混合，进行热量交换，将热能传递给二次网循环水，再由二次网经供热管道输送到用户，冷却的回水返回二次网回水管，一次网回水降温后回到热源。其工艺流程如图2-2。图 2-2 换热站工艺流程图 2.1.3 热网与热用户连接方式在换热站中，局部供热系统与热网的连接可以分为：直接连接方式，间接连接方式。所谓直接连接，是指热网的循环水直接进入用户内部的散热器。所谓间接连接是指热网循环水与热用户内部供热系统循环水相互隔绝，而其间只限于热量交换的连接形式。从运行的角度来分析，直接连接系统的水力工况和热力工况受到热网运行工况的影响，故又称为局部系统与热网的关联式连接。间接连接系统的水力工况不受热网运行工况的影响，故又称为局部系统与供热网的非关联式连接。当集中供热系统一次管网的压力和温度比较高的时候，换热站内的供热系统应采用间接联接系统，使一次系统和二次系统的水力工况分开，彼此不受影响12。根据一些城市的经验供热系统采用间接连接，因为一次系统的失水量小，可以保证一次系统有良好的水力工况，也便于查找二次系统失水的地点，必要时也便于把失水量大的二次系统切开。为了减轻热源厂的补水压力，采用间接连接后还可在换热站安装补水设施以补充二次系统的失水，维持系统的水力工况。根据以上分析，可以看出从热网和局部系统考虑，换热站间接连接的优点可概括为两个方面：对热网而言，水质污染的影响较小，并且可改变热网内的流量和水温，一次热网可采用较高温度的热介质，故可缩小热网的管径和降低输送热介质的费用。由于二次网具有独立的水循环系统，提高了供热系统的可靠性和缩短了排除故障的时间。间接连接型式的缺点是与直接连接型式相比，间接连接型式的换热站配管复杂，除换热装置外，局部系统还需配备循环水泵、定压装置和补给水装置等，设备费用较高。2.1.4 供热调节方式供热系统的热负荷是随室外气候条件而变化的，为了保证供热质量，节约能源，就必须根据热负荷的变化对供热系统进行运行调节。根据调节地点不同，供热调节可分为集中调节、局部调节和单体调节三种调节方式。集中调节在热源处集中进行，局部调节在换热站或用户引入口处进行，单体调节直接在散热设备处进行。其中集中调节和局部调节又是换热站控制研究的重点。集中调节的方法有质调节、量调节、分阶段改变流量的质调节和间歇调节四种。一、质调节在室外温度变化而引起室内温度波动时，采用系统循环水量不变，而调节系统供水温度来满足保持室内温度不变的方法，称为质调节。采用集中质调节只在热源处改变网路的供水温度，而网路的循环水量保持不变，因此采用质调节的优点是运行管理简便，节约燃料，系统的水力工况稳定。由于在整个供热期中网路的循环水量保持不变，采用质调节的缺点是消耗电能较多。二、量调节当室外温度升高，引起室内温度波动时，保持系统的供水温度不变，调节系统的循环水量，即调节循环水泵的转速来保持室内温度不变的方法，称为量调节。采用量调节时，在实际运行中，循环水量随热负荷的变化而变化容易造成系统水力失调，因此，在集中供热系统中不常采用纯粹的量调节。三、分阶段改变流量的质调节在供热期中，按室外温度的高低分为几个阶段，在室外温度较低的阶段中，保持系统较大的循环水量，而在室外温度较高的阶段中，保持系统较小的循环水量。在每一阶段内保持系统的循环水量不变。这种调节称为分阶段改变流量的质调节。采用分阶段改变流量的质调节可减少运行电能损耗，但同量调节一样，如果各阶段间系统循环水量变化较大，也会引起系统水力失调或热力失调。四、间歇调节当室外温度升高时，保持系统循环水量和供水温度不变，而减少每天供热时数的调节方法，称为间歇调节。间歇调节不同于国内广泛实行的间歇供热。间歇供热是指在设计工况下(即在最冷日子里)每天只供热若干小时。间歇调节是在室外温度较高的供热初期和末期采取的一种辅助调节措施13。2.2 换热站控制系统2.2.1 换热站控制系统组成换热站自动控制系统主要包括换热站控制器，上位监控机及智能区域供热控制器等。一、换热站就地监控系统以PLC可编程控制器为核心，该控制器在换热站现场安装，通过对传感器信号的A/D转换，可以就地监测一次网及二次网供水流量、供回水温度、供回水压力及循环泵转速、补水状态等；并可就地控制循环泵转速及补水，设置在远程状态则可由上位机操作站进行操作。如图2-3所示。二、现场仪表和执行机构包括温度、压力、热量、流量、液位等传感器和变频器、阀门执行器等执行机构。将现场采集的各类信号传输到控制器，由其作出判断和处理后，送各执行机构运行14。图2-3 PLC信号传输图三、通讯系统绞线(以太网)为传输介质，实现上位机监控操作站与换热站就地监控系统的通讯，需要时可以设置远程数据传输网络，实现无人值守远程控制。四、上位监控机操作站上位监控机操作站：作为整个供热系统的运行调度枢纽，通过以太网模块与就地站通信，对各换热器就地控制站及智能区域供热控制器监控参数集中监控，并可操作循环泵、补水泵、旁通阀等的开启及自动控制。控制系统总体设计的各部分结构相互间连接方法，如图2-4所示。2.2.2 自控系统的控制方法从控制的角度来讲，集中供热换热站控制系统主要由3个控制回路。分别是：换热器二次供水温度调节控制回路；二次供回水压差调节控制回路即流量控制；二次回水定压控制系统。一、温度控制回路换热站系统对温度的调节控制就是要保证二次侧有一个恒定的预设定供水温度，控制元件是换热器一次侧的电动调节阀，该阀门控制换热器的一次供汽量。将预设定温度作为给定值，测量温度值作为反馈值，阀门的开度图 2-4 控制系统硬件结构图作为输出值，保证二次供水温度的恒定。当换热器的二次供水温度偏离设定值时，控制调节系统就自动调整执行器的动作，即改变电动调节阀的开度，从而改变进入换热器的一次热媒的流量，改变传送到换热器的热能，使二次的供水温度稳定在设定值附近。为了做到既经济运行又保证供热质量，采用了如图2-5所示的二次供水温度自控系统对供热工况进行分阶段质调节。主要功能是通过对各二次供热系统的温度检测、分析，结合外界干扰因素（室外天气温度），算出最佳的供水温度，通过调节一次管网流量，使二次供水温度接近于它的设定值，这样在供热系统满足用户需求量的前提下，保证最佳工况。控制元件是换热器一次水出口的控制阀，该阀门控制换热器的一次供水流量。将预设定温度作为给定值，测量温度值作为反馈值，阀门的开度作为输出值，采用PID算法，保证二次供水温度的恒定。图2-5温度调节控制原理每个热力站均安装了室外温度传感器，预设定温度根据室外温度计算得出，通过公式计算出当前的预设定温度，这个设定温度是随着室外温度的变化而改变的。设定温度随环境温度变化曲线如下图，图2-6所示：图2-6设定温度随环境温度变化曲线二、二次供回水压差调节控制回路主要功能是通过控制变频循环水泵转速，实现二次供回水压差恒定的自动控制，变频控制，逐台运行，采用常规PID实现。变频器最小转速为额定转速的20%(10Hz)，控制偏差应达到0.625%(0.01MPa)。三、二次回水定压控制系统换热站供暖系统中水循环系统与供水系统一样需要维持管网压力恒定。供暖系统中的水加热后经循环泵加压送到用户，再回来加热补充热损失。理想情况下，没有水损耗，但由于人为因素以及管网不可避免存在跑、冒、滴、漏现象，导致水压不稳定，所以需要采取措施来维持水压恒定。并且在供热系统中，回水管的压力水头都必须高于用户系统的充水高度，以防止系统倒吸入空气，破坏正常运行和腐蚀管道。因此维持恒压点压力恒定是供热系统正常运行的基本前提。本论文是采用补水泵补水维持二次回水压力来实现的，即通过控制变频器来（改变速度频率）控制补水泵的转速，从而改变系统的补水量，维持供水系统的恒压点压力恒定。供暖系统的常见定压方式有以下几种：1.膨胀水箱定压；2.定压罐定压；3.间歇补水定压；4.连续补水定压；5.变频调速补水定压。用膨胀水箱定压易加重系统腐蚀，而且膨胀水箱必须安装在系统最高处，往往很不方便；间歇补水定压比较节能，但系统压力波动大，运行不稳定;连续补水定压和变频调速技术补水定压效果都比较好，但利用变频调速技术进行补水定压比连续补水定压在电能消耗上少得多15。相比较而言，供暖系统的定压宜采用变频调速技术定压。图2-7是利用变频调速技术进行补水定压的结构图，它是通过安装在系统管道上的压力传感器去检测压力信号P，并把此信号传送给调节器与设定的固定压力信号Po相比较，比较的结果作为调节参量送给变频器以调节变频器输出电压的频率，变频器再将频率输出信号传给补水泵，进而改变补水泵转速调节补水量，以维持系统压力的恒定。由于补水泵转速n与被检测压力P都与电源频率f成正比，当PPo时，通过变频器来调节电源频率f使其减少，补水泵转速n就会减慢，P就会减少直至Po附近。这样，无论P初始值是多少，最终总会维持在Po左右。还有一种特殊情况，当系统压力高于设定的压力上限值时，系统会自动报警并开启阀门泄水，直至压力恢复到正常值，阀门又自动关闭，停止泄水，这样系统运行起来就更安全。图2-7利用变频调速技术进行补水定压的结构图2.3 本章小结 本章详细介绍了换热站的基本工作流程，以及换热站的基本构成。叙述了换热站正常运行的流程，简要讲解了换热站控制系统的基本组成和其系统中采用的各种控制方式，原理及其特点。第3章 换热站控制系统设计第3章 换热站控制系统设计3.1 控制系统的组成结构换热站节能控制系统主要包括上位机软件监控，和换热器就地控制站。上位机监控系统与换热器就地控制站通过以太网进行通信，完成数据的传输、远程监控及操作。换热站中重要的控制系统由换热站温度回路控制系统、供回水压差控制系统、二次回水定压控制系统、变频调速恒压供水系统所组成16。其结构框图如图3-1所示。图3-1 控制系统组成图 3.2 换热站温度控制 换热站自动控制的目的是宏观掌握供热系统运行状况、运行质量，保证供热系统的运行参数。对热网的水力工况和热力工况进行全自动调节，解决各换热站的耦合影响，消除热网水平失调、平衡供热效果。及时检测报告供热系统故障，作到防微杜渐，防患未然，更好地进行供热系统设备的维护及管理。通过记录热网运行历史数据，为热网如何经济高效运行提供分析基础和分析依据。在一个采暖期结束后与前期数据进行比较分析，查出主要能耗来源，为今后的节能挖潜改造提供条件。改造后的换热站以节省总供热量为目标，在满足热网用户基本采暖要求的前提下尽量减少总供热量，从而达到提高经济效益的目的。3.2.1 温度控制方式分类换热站二次侧供水温度的控制至关重要，是系统实现热用户生活舒适、按需供热的关键，是本系统的温度控制的主要控制目标。要使用户家里温度更加舒适，必须保证换热站供出的温度(热量)合适，这样我们就根据不同情况对换热站的二次出水温度进行控制。控制方式大致分为经验调节、定温调节、分时段调节三种17。1.经验调节即根据以往的供热经验，在不同的室外温度条件下，保证不同的二次网供水温度。各个控制器输入二次供水温度调节曲线，系统通过检测二次网供水温度和室外温度，自动调节一次网的阀门开度从而达到二次网的设定供水温度值，实现换热站的质调节。管理人员可以在现场通过液晶键盘或通过上位机软件远程对此曲线进行修改。曲线如图3-2所示：图3-2 经验调节曲线2.定温调节用户可任意设定供水温度值，系统将自动调节一次网的流量从而使二次网供水温度稳定在此设定值。管理人员可以在现场通过液晶键盘或通过上位机软件远程对此设定值进行调节。3.分时段调节在不同的时间段设定不同的二次网供水温度。本方式支持在不同的时间段修正固定的供水温度设定值(经验调节曲线或固定供水温度)。这样可生成一条更经济的运行曲线。管理人员可以在现场通过液晶键盘或通过上位机软件远程对此曲线进行修改。如下图3-3所示： 图3-3 分时段调节曲线 本论文的控制方式为:根据室外温度传感器检测到的实际室外温度值，通过使用下面介绍的关系模型，计算出相应的二次供水温度的设定值，根据一次供水温度情况，采用温度智能PID控制器，实时调节控制一次管网的控制阀，以使实际的二次供水温度与其设定值相符18。其控制原理如图如下面的图3-4所示： 图3-4 二次供回水温度自控系统检测到的室外温度，通过下列计算模型得到二次供水的温度设定值。 (3-1) (3-2) (3-3) (3-4) (3-5) (3-6): 供水温度: 回水温度 : 室内温度： 室外温度： 循环水量但实际运行中，由于实际的循环流量不一定是设计值，而且由于散热器系统在设计过程中层加余量造成容量偏大，以及实际热指标与理论热指标不一致，因此必须对理论运行调节公式加以修正。修正后的公式: (3-7) (3-8) (3-9) (3-10) (3-11)m 是日照、风速、风向的修正系统，取m=1；n 反映了热负荷设计上的偏差，相同类型的建筑物n值相同；与为室外实测气温的平均值及其修正值18。由于公式比较复杂,运行参数进行分段拟合，不利于自控系统的计算，因此将上述公式结合实际供热确定二次供水温度的控制模型，即: (3-12)式中， :二次网供水温度: 室外气温A，b: 分段拟合参数基于供热管理的需要，实际中采用的算法对室外温度上下限加以限制，比如，当室外气温低于10 时，按10控制；当室外气温高于4时，按4控制。3.2.2 温度控制PID在工业系统中，大多有储能元件存在，这就造成整体系统对外加作用的响应有一定的惯性，另外，在能量和信息的传递过程中，由于管道和长线等原因引入了一些时间上的滞后，这也会使系统的响应变差。因此，单独按偏差进行比例调节很难获得理想的效果。为了改善系统的调节品质，通常在系统引入偏差的积分调节以提高精度，引入偏差的微分调节来消除系统惯性的影响22。这就形成了按偏差的PID 调节系统19。图 3-5 为单参数PID 控制回路，PID 模拟调节器（连续调节器）的理想算式为： (3-13)式中，偏差值是： 给定值； 被控量； 比例系数；积分时间常数； 微分时间常数；图3-5 单参数PID控制回路控制器以分时方式对多个回路进行巡回检测和巡回控制。因此，要相隔一定时间才对某一回路进行一次检测和控制，所以它属采样调节。为描述PID 采样调节规律，应对PID 模拟调节器的控制算式(3-13)进行差分处理，把这个描述连续系统的微分方程变换为描述离散系统的差分方程。差分处理如下：设采样周期为 T，则第k 次采样的时刻tk=kT 。若用T 表示dt，用tk表示t，用e(t)表示de(t)，用累加和表示积分。为了叙述方便，采用如下简记符号： (3-14) (3-15) (3-16) (3-17) (3-18)按偏差的比例、积分、微分控制（简称PID），上式就是PID 采样调节的差分方程式，也就是所谓控制方程。有了这个差分形式的控制方程，数字计算机就可以进行控制计算了，因为这里只存在加减乘除的运算，而不再存在微分和积分计算。因为 (3-19) (3-20)所以， (3-21)式中，e（k）第k 次（本次）采样时的偏差；e（k-1）第k-1 次（上一次）采样时的偏差；e（k-2）第k-2 次（再上一次）采样时的偏差；Kp 比例系数；Ki=Kp*T/Ti 积分系数；KD=Kp*TD/T 微分系数上式就是增量形式的 PID 采样调节的控制方程。采用增量形式的控制方程时，控制量可按下式计算： (3-22)在增量形式的控制算式中，控制作用中的比例、积分、微分部分是相互独立的。这种算式比较直观，易于操作人员理解，便于检查参数变化对控制效果的影响。本论文采用温度智能 PID 调节器AL809 智能PID 调节器。它采用先进的PID 调节算法，PID 自整定及分段输出功率限制功能，具备无超调及无欠调的优良控制特性。具有功能强大，组态灵活、适应性广的特点，适合温度的精确控制。输出为开关动作，可直接控制电动调节阀电机的正转反转。温度检测到的信号和设定值信号在AL809 调节器中通过PID 整定的输出值控制一次水出口的控制阀，进而调节二次水的温度20。3.3 供回水压差控制根据二次侧供回水压差控制循环泵，维持恒定压差。变频、变流量供热，降低热网输送成本。通过对二次侧供回水压差进行控制，可以对温度进行质调节。根据室外温度传感器，加上PLC 控制器处理，通过变频器适时适量地控制循环泵电机的转速来调节循环泵的输出流量, 满足供暖负荷要求，从而使电机在整个负荷和变化过程当中的能量消耗降到最小程度。再有，应用变频器还能提高系统的功率因数, 减少电机的无功损耗, 并提高供电效率和供电质量。综上所述, 对原供暖换热系统进行变频节能改造能够带来巨大的节能效果、供热效果和控制效果。由于换热站循环泵的额定流量和电机功率是按照该换热小区最大供热面积配备的，而实际上大多数换热站的供热面积并非一开始就达到设计能力，而是逐步发展用户增加供热面积；另一方面，也很难选到恰好符合该管网特性流量和扬程的水泵，这就应调节水泵的流量，以满足不同情况的需要。循环水流量减少太多时会使热用户产生垂直失调，因此循环泵流量变化应遵循一定的规律，这一规律是由供热系统的性质和供热质量的要求决定的。由于热用户室内采暖系统采用的都是上供下回式单管供热系统，从供热理论可知，单管供热系统最佳调节工况应为质和量的综合调节。随着室外温度的变化，不但要及时调整二次供水温度，而且还应相应调整循环水流量，只有这样热用户室内采暖系统才不会产生垂直失调21。3.3.1 变频调速变频调速控制是非常节能环保的一种换热站控制方式。根据热力系统运行特点可知，用于推动水循环的电能消耗约占系统总电能消耗的50。采用变频调速的意义在于：供热系统中大多按供热面积的大小选择循环水泵的大小，而且其中还会考虑扩网增容的因素而使循环水泵的选择往往偏大，当运行中部分曾列入规划中的面积闲置不用时，如果循环水泵仍满负荷运行，必然出现“大马拉小车“的工况，此时水泵的效率低，功率浪费大，而且运行电耗也高。采用变频器控制循环水泵，则可节省这部分电能。采用变频器控制循环水泵的运行可随时调节水泵的转速以适应地势和楼层等的变化带来的资用压头的变化；当系统采用量调节时，采用变频调速可使循环水量随着室外温度等因素的变化而不断变化，可避免按着设计热负荷进行供热而造成的不必要的浪费；变频器的软启动功能及平滑调速的特点还可实现对系统的平稳调节，使系统工作状态稳定，延长供热设备和各部件的使用寿命22。变频调速具有以下优点：1. 节约能源通过对水泵阀门控制，风机风门的调节和采用变频调速控制的运行对比，可以发现负荷偏离设计负荷越远，节电率越高。2. 减少启动时对电网的冲击由于循环泵或补水泵在供热系统中承担着补充失水和对系统进行定压的任务，具有启动频繁的特点,对电网形成巨大的冲击，容易造成管路止回阀的损失，而且还容易造成保护装置的误动作，影响其它设备的正常运行。变频调速控制，水泵的电机从零速以无级变速向使用转速过渡，运行较平稳，对电网不会造成冲击，延长了电机的使用寿命。3. 降低噪声电动机的运行噪声与电动机的转速有关，转速越高，噪声越大。使用变频调速装置，由于转速的降低，噪声明显降低。改善了工作环境。4. 运行方便、准确，减少了员工的劳动强度工作时只需操作人员按电钮即可。如果与微机连锁可实现自动控制，准确度更高。5. 减少设备的维护量和维护费用由于机械的磨损和冲击大量减少，因此，设备的使用寿命相对延长，维护量和维护费用相对减少。3.3.2 变频调速的原理一，变频调速技术，变频调速的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系，异步电动机定子磁场的转速被称为异步电动机的同步转速，其同步转速由电动机的磁极个数和电源频率所决定23。 (3-23)式中同步频率； 电源频率； 极对数；异步电动机的转速总是小于其同步转速，异步电机的实际转速可由下式得出： (3-24) 式中 电动机实际转速 异步电动机的转差率由此可知，当转差率变化不大时，n基本上正比于，所以改变供电电源频率，即可调节异步电动机的转速。这种调速方法，可以获得很大的调速范围，很好的调速平滑性和相对稳定性。无疑，采用变频器对电源直接进行变频便可调节异步电动机的转速。由于变频器能够将电源频率调至较低，因此，异步电动机可在较低的转速下运行，并随电源频率的升高逐渐运行至额定转速，即可以在额定电流下启动电动机，这就减小了电动机启动时大电流对电动机定子绕组电动力的作用24。二，变频器一拖三原理，本论文采用 PLC 控制运行泵和备用泵的运行逻辑与采用变频器控制泵的转速来实现这一目的。一台变频器拖动三台循环泵（两运一备），变频器采用ABB ACS140。其原理图如图3-6 所示： 图3-6 变频器一拖三原理图首先第一台泵变频启动，如果负荷不够则第一台泵转速加大（需变频器），达到100时还不满足要求，则启动第二台泵使之在变频下运行，同时第一台泵切换到工频下运行。如果达到了要求则第二台泵停止运行，第一台泵变频运行。在运行泵出现故障时切换到第三台备用泵。如果泵反馈信号不等于输出信号或者任意泵报警，产生“维护报警”信号。如果所有泵均报警，产生“无可用泵”信号。根据运行时间自动切换各循环泵。同时也提供低水压保护和连锁功能。对于循环泵，该系统有手动和自动两种变频功能和一种工频功能。在变频模式下，手动时，可以人为随意给定频率，控制循环泵的输出流量，调节供暖温度。自动时，变频器和PLC 控制器进行通讯，PLC 控制器根据室外温度传感器和二次供回水温度传感器传上来的信号进行处理，按照供热要求给变频器发出控制指令，控制电机转速调节循环泵输出流量，从而达到调节温度的目的。在变频器出故障时，可手动切换到工频运行，保证继续供热不停产。变频器输出 U、V、W 相序应与工频旁路电源L1、L2、L3 相序一致。否则，在电机由变频向工频切换过程中，会因为切换前后的相序不一致而引起电机转向的突然反向，容易造成跳闸甚至损坏设备25。3.3.3 循环泵变频硬件设计本系统的可编程控制器选用西门子 S7-200，此系列单片机功能强大，既可独立运行又可连接到网络，有很高的性价比。使用西门子自带的STEP 7-Micro/WIN32 编程软件可对所有的S7-200的功能进行编程。 选用的主机的具体型号为CPU226 型：24 输入/16 继电器输出，共40个数字量I/O 点，可连接7个扩展模块，13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。同时还在PLC上加了一个扩展模块EM235 作为模拟量输入/输出单元，它可以进行4路模拟量输入和1路模拟量输出，直接控制继电器。另外配置了以太网通讯模块，用于与上位机进行以太网通讯连接。PLC 控制电路由1台S7-200PLC、1台变频器ABB ACS140（此类变频器有其独特的节能降耗、变频调速、可编程多操作模式、保护功能完善等特点）、2台补水水泵、和模拟量输入/输出单元等组成。即补水泵采用一运一备。其控制电路如下图3-11 所示： 图3-7 PLC控制电路图其中交流接触器KM1、KM3、KM5 分别控制1# 泵、2# 泵、3# 泵的变频运行，而KM2、KM4、KM6 则分别控制1# 泵、2# 泵、3#泵的工频运行， KM7 控制变频器工作。SA1、SA2、SA3 分别为3 台循环泵的停止开关，SA4、SA5、SA6 分别为3 台循环泵的手动起