【正文】 使整個換熱過程控制更為智能化，集成化，現(xiàn)代化。減少了控制成本和復(fù)雜程度。3．換熱站建立了友好的人機交互界面，相應(yīng)的上位機監(jiān)控系統(tǒng)；通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以實現(xiàn)及時檢測參數(shù)，實時快速地將換熱站現(xiàn)場數(shù)據(jù)發(fā)送到過程監(jiān)控中心，實現(xiàn)供熱運行的動態(tài)跟蹤監(jiān)視，了解系統(tǒng)工況及時診斷故障，實時診斷供熱運行的隱患。在保證回水溫度達(dá)到要求值的基礎(chǔ)上，將供水溫度按照外界溫度的不同控制在滿足熱用戶要求的最低臨界值附近，可提高供熱品質(zhì)，減少管網(wǎng)熱損，并在換熱站的一次網(wǎng)實現(xiàn)運行節(jié)能。2．根據(jù)室外溫度對二次網(wǎng)供水溫度進(jìn)行實時控制，可實現(xiàn)降低系統(tǒng)熱損，改進(jìn)供熱效果。并得到如下相關(guān)結(jié)論：1．研究了基于PLC的換熱站自動控制系統(tǒng)設(shè)計方案。運行結(jié)果表明這種方式能夠有效的實現(xiàn)供熱量在熱網(wǎng)中的分配，滿足了熱用戶的用熱需求，使供熱品質(zhì)及效果得到保證，使供熱系統(tǒng)高性能、低能耗、強可靠的運行。上位機在接收下位機傳送的信息后，以適當(dāng)?shù)男问饺鐖D形、圖像等方式顯示給用戶，以達(dá)到監(jiān)視的目的；同時數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，告知用戶設(shè)備參數(shù)的狀態(tài)(報警、正?；驁缶貜?fù))，這些處理后的數(shù)據(jù)可能會保存到數(shù)據(jù)庫中，也可能通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)讲煌谋O(jiān)控平臺上，還可能與別的系統(tǒng)(如MIS，GIS)結(jié)合形成功能更加強大的系統(tǒng)，HMI 界面還可以接受操作人員的指示，將控制信號發(fā)送到下位機中，以達(dá)到控制的目的。利用Ping命令分別對下位機的兩個CPU主站進(jìn)行連接測試，都有數(shù)據(jù)包返回，證明上位機與下位機的通訊狀態(tài)良好。它以0PC服務(wù)器的形式提供給上層應(yīng)用軟件，組態(tài)軟件可以按照0PC服務(wù)器提供的接口訪問現(xiàn)場控制設(shè)備的數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的開放性和可互操作性。OPC數(shù)據(jù)存取服務(wù)器正是提供訪問這些數(shù)據(jù)和狀態(tài)的功能軟件?？梢詫崿F(xiàn)換熱站控制器通過局域網(wǎng)與操作站的連接，由TCP／IP協(xié)議作為承載協(xié)議。 圖46 循環(huán)泵就地控制界面當(dāng)就地站將控制狀態(tài)設(shè)置為遠(yuǎn)程操作時，循環(huán)泵控制指示燈顯示均為綠色，表明循環(huán)泵處于遠(yuǎn)程控制狀態(tài)，此時可在屬性頁面上更改循環(huán)泵在操作站的控制狀態(tài)(手動或自動)，如圖47。當(dāng)循環(huán)泵控制指示燈顯示均為紅色時，表明循環(huán)泵處于就地控制狀態(tài)。通過點擊不同的選項卡可以查看換熱站系統(tǒng)運行時的各類參數(shù)，便于及時調(diào)節(jié)設(shè)置，使系統(tǒng)始終節(jié)能高效工作。泄壓閥、旁通閥、補水泵的控制與循環(huán)泵的控制相似。主要包括各供熱區(qū)域的泄壓閥、補水泵、循環(huán)泵及旁通閥的控制。曲線左方顯示當(dāng)前時刻的給定值、測量值、閥位值、輸出值和手自動狀態(tài)。參數(shù)設(shè)置窗口由參數(shù)對話框和控制回路曲線組成。 圖43 數(shù)據(jù)表界面 管理控制部分軟件設(shè)計系統(tǒng)管理控制部分主要為管理人員設(shè)計。設(shè)計軟件可以自動生成趨勢圖、報警記錄和數(shù)據(jù)記錄報表等。室外溫度作為換熱站運行中的重要參數(shù)，其測量值在右上角顯示，整個界面層次清晰，重點信息突出，便于操作工人換熱站節(jié)能控制系統(tǒng)的研究監(jiān)控。所顯示的數(shù)據(jù)包括一次網(wǎng)、二次網(wǎng)供、回水的壓力、溫度、流量值；顯示并控制泄壓閥、補水泵、循環(huán)泵及旁通閥的實時數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)和控制狀態(tài)[33]。流程圖窗口的設(shè)計主要是為操作管理人員提供一個友好的監(jiān)控界面。如下圖41所示。窗口中的工具欄包括流程圖、數(shù)據(jù)表、實時曲線、歷史曲線、報警窗口、參數(shù)設(shè)置、歷史報表和系統(tǒng)管理按鈕，工具欄中的按鈕用于同供熱區(qū)不同類型窗口之間的切換。標(biāo)題欄位于窗口的最上面，用于顯示該窗口的名稱，設(shè)置功能可以顯示系統(tǒng)的當(dāng)前時間。監(jiān)控部分主要包括窗口結(jié)構(gòu)的設(shè)計及主體功能部分的設(shè)計。管理員用戶擁有整個系統(tǒng)的所有操作權(quán)限。 監(jiān)視部分軟件設(shè)計操作站監(jiān)視部分對于所有用戶都是開放的。管理控制部分：用于管理員設(shè)置運行參數(shù)、操作一次網(wǎng)旁通閥和二次網(wǎng)循環(huán)泵、補水泵及泄壓閥的啟動和停止等。每個供熱區(qū)域監(jiān)控部分包括流程圖、數(shù)據(jù)表、實時曲線、歷史曲線、報警窗口、歷史報表等窗口[32]。監(jiān)視部分：用于操作管理人員監(jiān)視換熱站的運行狀況及打印歷史報表。操作站軟件由監(jiān)視部分和系統(tǒng)管理控制部分組成。 (10)完善的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，可以支持最新流行的各種通訊方式，包括電話通訊網(wǎng)，寬帶通訊網(wǎng)，GPRS通訊網(wǎng)和無線通訊網(wǎng)。 (8)提供漸進(jìn)色、旋轉(zhuǎn)動畫、透明位圖、流動塊等多種動畫方式，可以達(dá)到良好的動畫效果。種工控曲線 (6)支持ODBC接口，可與SQL Server、Oracle、Access等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的互聯(lián)。 (4)支持?jǐn)?shù)據(jù)采集板卡、智能模塊、智能儀表、PLC、變頻器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等700多種國內(nèi)外眾多常用設(shè)備。 (2)真正的32位程序，支持多任務(wù)、多線程，運行在Win95/98/NT/2000平臺。用戶只需要通過簡單的模塊化組態(tài)就可構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)，如可以靈活組態(tài)各種智能儀表、數(shù)據(jù)采集模塊，無紙記錄儀、無人值守的現(xiàn)場采集站、人機界面等專用設(shè)備。 具有功能完善、操作簡便、可視性好、可維護(hù)性強的突出特點。它是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件。 應(yīng)用組態(tài)軟件組態(tài)軟件，又稱組態(tài)監(jiān)控軟件系統(tǒng)軟件。操作站通過以太網(wǎng)與就地站連接，應(yīng)用OPC協(xié)議進(jìn)行通訊。下位機不時讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)（一般模擬量），轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號反饋給上位機[31]。下位機是指：直接控制設(shè)備獲取設(shè)備狀況的的計算機，一般是PLC/單片機之類的工控機，主要用來監(jiān)測和執(zhí)行上位機的操作指令。對于現(xiàn)有的換熱站控制系統(tǒng)設(shè)計具有重要的參考價值。 本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了換熱站控制系統(tǒng)的構(gòu)成和相關(guān)設(shè)計，將控制系統(tǒng)分為了四個部分來逐一進(jìn)行分析，通過優(yōu)化的PID算法來實現(xiàn)節(jié)能控制。當(dāng)最后一臺水泵投入運行，變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz 時，壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時，控制系統(tǒng)就會發(fā)出水壓超限報警。在變頻的控制方式下，系統(tǒng)將1 號水泵切換至工頻電網(wǎng)供電后，1 號水泵恒速運行，同時使2 號水泵投入變頻使用并變速運行，系統(tǒng)恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。3. 當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz 時，若此時用戶管網(wǎng)的實際壓力還未達(dá)到設(shè)定壓力，并且滿足增加水泵的條件時，在變頻循環(huán)的控制方式下，系統(tǒng)將工作在變頻下的泵切換為工頻模式下工作的形式，即切換到工頻電網(wǎng)?？刂屏鞒倘缦拢? 圖312 補水泵流程圖1. 系統(tǒng)上電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動信號后，首先啟動變頻器拖動調(diào)速水泵，通過恒壓控制器，根據(jù)用戶管網(wǎng)實際壓力和設(shè)定壓力的誤差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，以達(dá)到控制調(diào)速泵轉(zhuǎn)速的目的，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值。軟件流程如下圖 312 所示。即補水泵采用一運一備。 圖310 補水泵恒壓補水原理圖系統(tǒng)選用西門子 S7200，主機為CPU226 型（24 輸入/16 繼電器輸出）PLC，同時還加上一個擴展模塊EM235 作為模擬量輸入/輸出單元。此方法就是利用壓力傳感器(壓力傳感器質(zhì)量的好壞和安裝位置的不同，直接影響系統(tǒng)恒壓的實現(xiàn)，通過運行實踐發(fā)現(xiàn)，壓力傳感器安裝在回水母管直線段最為理想)在線監(jiān)測系統(tǒng)壓力作為反饋信號傳送給PLC，與給定壓力值相比較，如低于此值則加大補水流量，反之，則減少流量，如此恰到好處地補充失水量，保證系統(tǒng)壓力恒定[29]。檢測結(jié)果可以送給PLC，作為數(shù)字量輸入。此信號是模擬信號，讀入時，需進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。采樣點可以選擇在水泵的出口管道處，這樣比較方便且傳送距離比較近，壓力信號基本不失真；部分采樣點也選擇在管道最不利點處，此時壓力變送器傳送距離比較遠(yuǎn)，如果不采取其它措施的話，信號的失真度比較大，本文結(jié)合實際情況選擇水泵的出口管道處作為采樣點。用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換、手/自動切換等工作。本論文設(shè)計采用變頻循環(huán)模式。變頻循環(huán)式：變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運行在50Hz 時，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機中脫出，將該泵切換為工頻的同時用變頻去拖動另一臺水泵電機。(2)變頻器：它是對水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元。(1)供水控制器：它是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。由圖 39中可以看出：供水系統(tǒng)的額定功率與面積QANG 成正比[27]。供水系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。3. 供水系統(tǒng)的工作點揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統(tǒng)的工作點，如圖39中的N 點。2．管阻特性以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤幔砻鏖y門在某一開度下，全程與流量間關(guān)系的曲線，稱為管阻特性曲線， 中②所示。補水系統(tǒng)的特性和工作點：1．揚程特性以管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤幔砻髟谀骋晦D(zhuǎn)速下，全揚程與流量間關(guān)系的曲線，稱為揚程特性曲線， 中的曲線①所示。由此看來，采用變頻調(diào)速控制裝置控制補給水泵的方案是經(jīng)濟(jì)可行的。這不僅很好的節(jié)約了電能，同時也大大提高了設(shè)備的使用壽命。采用變頻調(diào)速補水，其優(yōu)點為：定壓點更為趨近穩(wěn)定；節(jié)省補給水泵的電能；而且自動化程度較高，安全可靠。顯然，管網(wǎng)需要的補水量越大，補水時間越長，變頻調(diào)速控制裝置就使供電頻率 越接近（或等于)電源頻率，從而使水泵趨于額定工作狀態(tài)。變頻控制補水泵連續(xù)補水定壓系統(tǒng)，是靠連接在循環(huán)水泵入口的壓力變送器取出壓力信號，反饋給PLC，與給定壓力比較后，變頻調(diào)節(jié)補水泵的電機轉(zhuǎn)數(shù)，以改變補水泵的流量。由于變頻調(diào)速的最大優(yōu)點是調(diào)速過程轉(zhuǎn)差率小且基本不變，故當(dāng)供電頻率變化時： (325)由流體力學(xué)原理可知，水泵的轉(zhuǎn)速與其輸出的流量、出口壓力及所消耗的功率關(guān)系如下： (326) (327) (328)式中： Q——水泵額定輸出流量, ； ——水泵實際輸出量，； ——水泵實際轉(zhuǎn)速，； ——水泵額定轉(zhuǎn)速，； ——水泵額定出口壓力，； ——水泵實際出口壓力，； ——水泵額定消耗的功率，； ——水泵實際消耗的功率，； ——供電頻率， ； ——電源頻率，； ——比例系數(shù)。原有換熱站水泵電機直接接市電一直以工頻運行, 泵的輸出流量也就無法隨著供暖負(fù)荷的變化而變化,而是始終保持恒定的流量。這一控制為位式控制，系統(tǒng)壓力只能在一區(qū)間內(nèi)波動，補水泵的起、停頻繁，在啟動的瞬間，會造成管網(wǎng)局部壓力突然升高從而造成補水泵誤停車，且電動機啟動電流一般為其工作電流的7 倍左右，極易造成電器元件和設(shè)備的損壞；二是采用自力式壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)行不間斷補水。補水泵定壓就是通過補水泵間斷或不間斷地向系統(tǒng)補水，保證供熱系統(tǒng)在規(guī)定的壓力下行。為了避免上述情況發(fā)生，需要經(jīng)常不斷地向管網(wǎng)中補水，因而在許多供熱系統(tǒng)中，常常采用由異步電動機拖運的水泵直接向供熱管網(wǎng)進(jìn)行補水的運行方案。 二次回水定壓控制 補水定壓的作用在區(qū)域供熱站熱交換站運行中，無論是采用低溫水供熱的一次網(wǎng)，還是采用高溫水進(jìn)行交換后的二次網(wǎng)，管網(wǎng)中失水率都會過高。經(jīng)過粗略計算，在循環(huán)水泵采用變頻變流量調(diào)節(jié)時當(dāng)平均運行流量是設(shè)計流量的80％時，節(jié)電49％；平均運行流量是設(shè)計流量的70％時，節(jié)電66％，可見節(jié)電效果當(dāng)可觀。此外系統(tǒng)還具有頻率、電流、電壓、管網(wǎng)壓力、溫度等監(jiān)視功能，壓力、溫度異常報警及變頻器、電機故障報警等功能。再者系統(tǒng)設(shè)置了熱備功能，在兩臺泵都無故障前提下，一臺單獨運行8 小時后，將自動切換另一臺泵。本系統(tǒng)中的PLC 的軟件程序主要完成了以下幾種功能：首先所有泵的啟動都采用變頻啟動且更換啟動泵。另外，在每個CPU 中都有系統(tǒng)功能塊(SFB 和SFC)，S7 還提供大量的已做好的標(biāo)準(zhǔn)功能塊，用戶可以很方便地調(diào)用。 循環(huán)泵變頻軟件設(shè)計本套 PLC 系統(tǒng)使用STEP7Micro/Win 軟件進(jìn)行編程，采用Win2000 操作平臺，允許使用S7 編程軟件中兩種語言表示式中的一種一梯形圖邏輯(LAD)和語句表(STL)編寫程序，其編程方法有三種：線性編程、分部式編程、結(jié)構(gòu)化編程。SL 為溫度下限開關(guān)， SH 為溫度上限開關(guān)。其控制電路如下圖311 所示： 圖37 PLC控制電路圖其中交流接觸器KMKMKM5 分別控制1 泵、2 泵、3 泵的變頻運行，而KMKMKM6 則分別控制1 泵、2 泵、3泵的工頻運行， KM7 控制變頻器工作。PLC 控制電路由1臺S7200PLC、1臺變頻器ABB ACS140（此類變頻器有其獨特的節(jié)能降耗、變頻調(diào)速、可編程多操作模式、保護(hù)功能完善等特點）、2臺補水水泵、和模擬量輸入/輸出單元等組成。同時還在PLC上加了一個擴展模塊EM235 作為模擬量輸入/輸出單元，它可以進(jìn)行4路模擬量輸入和1路模擬量輸出，直接控制繼電器。6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。使用西門子自帶的STEP 7Micro/WIN32 編程軟件可對所有的S7200的功能進(jìn)行編程。否則，在電機由變頻向工頻切換過程中，會因為切換前后的相序不一致而引起電機轉(zhuǎn)向的突然反向，容易造成跳閘甚至損壞設(shè)備[25]。在變頻器出故障時，可手動切換到工頻運行，保證繼續(xù)供熱不停產(chǎn)。在變頻模式下，手動時，可以人為隨意給定頻率，控制循環(huán)泵的輸出流量，調(diào)節(jié)供暖溫度。同時也提供低水壓保護(hù)和連鎖功能。如果所有泵均報警，產(chǎn)生“無可用泵”信號。在運行泵出現(xiàn)故障時切換到第三臺備用泵。其原理圖如圖36 所示： 圖36 變頻器一拖三原理圖首先第一臺泵變頻啟動，如果負(fù)荷不夠則第一臺泵轉(zhuǎn)速加大（需變頻器），達(dá)到100％時還不滿足要求，則啟動第二臺泵使之在變頻下運行，同時第一臺泵切換到工頻下運行。二，變頻器一拖三原理，本論文采用 PLC 控制運行泵和備用泵的運行邏輯與采用變頻器控制泵