【正文】 低分為幾個階段，在室外溫度較低的階段中，保持系統(tǒng)較大的循環(huán)水量，而在室外溫度較高的階段中，保持系統(tǒng)較小的循環(huán)水量。這種調(diào)節(jié)稱為分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)。四、間歇調(diào)節(jié)當(dāng)室外溫度升高時，保持系統(tǒng)循環(huán)水量和供水溫度不變，而減少每天供熱時數(shù)的調(diào)節(jié)方法，稱為間歇調(diào)節(jié)。間歇供熱是指在設(shè)計工況下(即在最冷日子里)每天只供熱若干小時。 換熱站控制系統(tǒng) 換熱站控制系統(tǒng)組成換熱站自動控制系統(tǒng)主要包括換熱站控制器，上位監(jiān)控機及智能區(qū)域供熱控制器等。如圖23所示。將現(xiàn)場采集的各類信號傳輸?shù)娇刂破鳎善渥鞒雠袛嗪吞幚砗?，送各?zhí)行機構(gòu)運行[14]。四、上位監(jiān)控機操作站上位監(jiān)控機操作站：作為整個供熱系統(tǒng)的運行調(diào)度樞紐，通過以太網(wǎng)模塊與就地站通信，對各換熱器就地控制站及智能區(qū)域供熱控制器監(jiān)控參數(shù)集中監(jiān)控，并可操作循環(huán)泵、補水泵、旁通閥等的開啟及自動控制。 自控系統(tǒng)的控制方法從控制的角度來講，集中供熱換熱站控制系統(tǒng)主要由3個控制回路。一、溫度控制回路換熱站系統(tǒng)對溫度的調(diào)節(jié)控制就是要保證二次側(cè)有一個恒定的預(yù)設(shè)定供水溫度，控制元件是換熱器一次側(cè)的電動調(diào)節(jié)閥，該閥門控制換熱器的一次供汽量。當(dāng)換熱器的二次供水溫度偏離設(shè)定值時，控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)就自動調(diào)整執(zhí)行器的動作，即改變電動調(diào)節(jié)閥的開度，從而改變進(jìn)入換熱器的一次熱媒的流量，改變傳送到換熱器的熱能，使二次的供水溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近。主要功能是通過對各二次供熱系統(tǒng)的溫度檢測、分析，結(jié)合外界干擾因素（室外天氣溫度），算出最佳的供水溫度，通過調(diào)節(jié)一次管網(wǎng)流量，使二次供水溫度接近于它的設(shè)定值，這樣在供熱系統(tǒng)滿足用戶需求量的前提下，保證最佳工況。將預(yù)設(shè)定溫度作為給定值，測量溫度值作為反饋值，閥門的開度作為輸出值，采用PID算法，保證二次供水溫度的恒定。設(shè)定溫度隨環(huán)境溫度變化曲線如下圖，圖26所示：圖26設(shè)定溫度隨環(huán)境溫度變化曲線二、二次供回水壓差調(diào)節(jié)控制回路主要功能是通過控制變頻循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)二次供回水壓差恒定的自動控制，變頻控制，逐臺運行，采用常規(guī)PID實現(xiàn)。%(177。三、二次回水定壓控制系統(tǒng)換熱站供暖系統(tǒng)中水循環(huán)系統(tǒng)與供水系統(tǒng)一樣需要維持管網(wǎng)壓力恒定。理想情況下，沒有水損耗，但由于人為因素以及管網(wǎng)不可避免存在跑、冒、滴、漏現(xiàn)象，導(dǎo)致水壓不穩(wěn)定，所以需要采取措施來維持水壓恒定。因此維持恒壓點壓力恒定是供熱系統(tǒng)正常運行的基本前提。供暖系統(tǒng)的常見定壓方式有以下幾種：；；；；。連續(xù)補水定壓和變頻調(diào)速技術(shù)補水定壓效果都比較好，但利用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行補水定壓比連續(xù)補水定壓在電能消耗上少得多[15]。圖27是利用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行補水定壓的結(jié)構(gòu)圖，它是通過安裝在系統(tǒng)管道上的壓力傳感器去檢測壓力信號P，并把此信號傳送給調(diào)節(jié)器與設(shè)定的固定壓力信號Po相比較，比較的結(jié)果作為調(diào)節(jié)參量送給變頻器以調(diào)節(jié)變頻器輸出電壓的頻率，變頻器再將頻率輸出信號傳給補水泵，進(jìn)而改變補水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)補水量，以維持系統(tǒng)壓力的恒定。這樣，無論P初始值是多少，最終總會維持在Po左右。圖27利用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行補水定壓的結(jié)構(gòu)圖 本章小結(jié) 本章詳細(xì)介紹了換熱站的基本工作流程，以及換熱站的基本構(gòu)成。第3章 換熱站控制系統(tǒng)設(shè)計第3章 換熱站控制系統(tǒng)設(shè)計 控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)換熱站節(jié)能控制系統(tǒng)主要包括上位機軟件監(jiān)控，和換熱器就地控制站。換熱站中重要的控制系統(tǒng)由換熱站溫度回路控制系統(tǒng)、供回水壓差控制系統(tǒng)、二次回水定壓控制系統(tǒng)、變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)所組成[16]。圖31 控制系統(tǒng)組成圖 換熱站溫度控制 換熱站自動控制的目的是宏觀掌握供熱系統(tǒng)運行狀況、運行質(zhì)量，保證供熱系統(tǒng)的運行參數(shù)。及時檢測報告供熱系統(tǒng)故障，作到防微杜漸，防患未然，更好地進(jìn)行供熱系統(tǒng)設(shè)備的維護(hù)及管理。在一個采暖期結(jié)束后與前期數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，查出主要能耗來源，為今后的節(jié)能挖潛改造提供條件。 溫度控制方式分類換熱站二次側(cè)供水溫度的控制至關(guān)重要，是系統(tǒng)實現(xiàn)熱用戶生活舒適、按需供熱的關(guān)鍵，是本系統(tǒng)的溫度控制的主要控制目標(biāo)?？刂品绞酱笾路譃榻?jīng)驗調(diào)節(jié)、定溫調(diào)節(jié)、分時段調(diào)節(jié)三種[17]。各個控制器輸入二次供水溫度調(diào)節(jié)曲線，系統(tǒng)通過檢測二次網(wǎng)供水溫度和室外溫度，自動調(diào)節(jié)一次網(wǎng)的閥門開度從而達(dá)到二次網(wǎng)的設(shè)定供水溫度值，實現(xiàn)換熱站的質(zhì)調(diào)節(jié)。曲線如圖32所示：圖32 經(jīng)驗調(diào)節(jié)曲線用戶可任意設(shè)定供水溫度值，系統(tǒng)將自動調(diào)節(jié)一次網(wǎng)的流量從而使二次網(wǎng)供水溫度穩(wěn)定在此設(shè)定值。在不同的時間段設(shè)定不同的二次網(wǎng)供水溫度。這樣可生成一條更經(jīng)濟(jì)的運行曲線。如下圖33所示： 圖33 分時段調(diào)節(jié)曲線 本論文的控制方式為:根據(jù)室外溫度傳感器檢測到的實際室外溫度值，通過使用下面介紹的關(guān)系模型，計算出相應(yīng)的二次供水溫度的設(shè)定值，根據(jù)一次供水溫度情況，采用溫度智能PID控制器，實時調(diào)節(jié)控制一次管網(wǎng)的控制閥，以使實際的二次供水溫度與其設(shè)定值相符[18]。 (31) (32) (33) (34) (35) (36): 供水溫度: 回水溫度 : 室內(nèi)溫度： 室外溫度： 循環(huán)水量但實際運行中，由于實際的循環(huán)流量不一定是設(shè)計值，而且由于散熱器系統(tǒng)在設(shè)計過程中層加余量造成容量偏大，以及實際熱指標(biāo)與理論熱指標(biāo)不一致，因此必須對理論運行調(diào)節(jié)公式加以修正。由于公式比較復(fù)雜,運行參數(shù)進(jìn)行分段擬合，不利于自控系統(tǒng)的計算，因此將上述公式結(jié)合實際供熱確定二次供水溫度的控制模型，即: (312)式中， :二次網(wǎng)供水溫度: 室外氣溫A，b: 分段擬合參數(shù)基于供熱管理的需要，實際中采用的算法對室外溫度上下限加以限制，比如，當(dāng)室外氣溫低于?10℃ 時，按?10℃控制；當(dāng)室外氣溫高于4℃時，按4℃控制。因此，單獨按偏差進(jìn)行比例調(diào)節(jié)很難獲得理想的效果。這就形成了按偏差的PID 調(diào)節(jié)系統(tǒng)[19]。因此，要相隔一定時間才對某一回路進(jìn)行一次檢測和控制，所以它屬采樣調(diào)節(jié)。差分處理如下：設(shè)采樣周期為 T，則第k 次采樣的時刻tk=kT 。為了敘述方便，采用如下簡記符號： (314) (315) (316) (317) (318)按偏差的比例、積分、微分控制（簡稱PID），上式就是PID 采樣調(diào)節(jié)的差分方程式，也就是所謂控制方程。因為 (319) (320)所以， (321)式中，e（k）——第k 次（本次）采樣時的偏差；e（k1）——第k1 次（上一次）采樣時的偏差；e（k2）——第k2 次（再上一次）采樣時的偏差；Kp ——比例系數(shù)；Ki=Kp*T/Ti ——積分系數(shù)；KD=Kp*TD/T ——微分系數(shù)上式就是增量形式的 PID 采樣調(diào)節(jié)的控制方程。這種算式比較直觀，易于操作人員理解，便于檢查參數(shù)變化對控制效果的影響。它采用先進(jìn)的PID 調(diào)節(jié)算法，PID 自整定及分段輸出功率限制功能，具備無超調(diào)及無欠調(diào)的優(yōu)良控制特性。輸出為開關(guān)動作，可直接控制電動調(diào)節(jié)閥電機的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)。 供回水壓差控制根據(jù)二次側(cè)供回水壓差控制循環(huán)泵，維持恒定壓差。通過對二次側(cè)供回水壓差進(jìn)行控制，可以對溫度進(jìn)行質(zhì)調(diào)節(jié)。再有，應(yīng)用變頻器還能提高系統(tǒng)的功率因數(shù), 減少電機的無功損耗, 并提高供電效率和供電質(zhì)量。由于換熱站循環(huán)泵的額定流量和電機功率是按照該換熱小區(qū)最大供熱面積配備的，而實際上大多數(shù)換熱站的供熱面積并非一開始就達(dá)到設(shè)計能力，而是逐步發(fā)展用戶增加供熱面積；另一方面，也很難選到恰好符合該管網(wǎng)特性流量和揚程的水泵，這就應(yīng)調(diào)節(jié)水泵的流量，以滿足不同情況的需要。由于熱用戶室內(nèi)采暖系統(tǒng)采用的都是上供下回式單管供熱系統(tǒng)，從供熱理論可知，單管供熱系統(tǒng)最佳調(diào)節(jié)工況應(yīng)為質(zhì)和量的綜合調(diào)節(jié)。 變頻調(diào)速變頻調(diào)速控制是非常節(jié)能環(huán)保的一種換熱站控制方式。采用變頻調(diào)速的意義在于：供熱系統(tǒng)中大多按供熱面積的大小選擇循環(huán)水泵的大小，而且其中還會考慮擴網(wǎng)增容的因素而使循環(huán)水泵的選擇往往偏大，當(dāng)運行中部分曾列入規(guī)劃中的面積閑置不用時，如果循環(huán)水泵仍滿負(fù)荷運行，必然出現(xiàn)“大馬拉小車“的工況，此時水泵的效率低，功率浪費大，而且運行電耗也高。采用變頻器控制循環(huán)水泵的運行可隨時調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速以適應(yīng)地勢和樓層等的變化帶來的資用壓頭的變化；當(dāng)系統(tǒng)采用量調(diào)節(jié)時，采用變頻調(diào)速可使循環(huán)水量隨著室外溫度等因素的變化而不斷變化，可避免按著設(shè)計熱負(fù)荷進(jìn)行供熱而造成的不必要的浪費；變頻器的軟啟動功能及平滑調(diào)速的特點還可實現(xiàn)對系統(tǒng)的平穩(wěn)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，延長供熱設(shè)備和各部件的使用壽命[22]。2. 減少啟動時對電網(wǎng)的沖擊由于循環(huán)泵或補水泵在供熱系統(tǒng)中承擔(dān)著補充失水和對系統(tǒng)進(jìn)行定壓的任務(wù)，具有啟動頻繁的特點,對電網(wǎng)形成巨大的沖擊，容易造成管路止回閥的損失，而且還容易造成保護(hù)裝置的誤動作，影響其它設(shè)備的正常運行。3. 降低噪聲電動機的運行噪聲與電動機的轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越高，噪聲越大。改善了工作環(huán)境。如果與微機連鎖可實現(xiàn)自動控制，準(zhǔn)確度更高。 變頻調(diào)速的原理一，變頻調(diào)速技術(shù)，變頻調(diào)速的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系，異步電動機定子磁場的轉(zhuǎn)速被稱為異步電動機的同步轉(zhuǎn)速，其同步轉(zhuǎn)速由電動機的磁極個數(shù)和電源頻率所決定[23]。這種調(diào)速方法，可以獲得很大的調(diào)速范圍，很好的調(diào)速平滑性和相對穩(wěn)定性。由于變頻器能夠?qū)㈦娫搭l率調(diào)至較低，因此，異步電動機可在較低的轉(zhuǎn)速下運行，并隨電源頻率的升高逐漸運行至額定轉(zhuǎn)速，即可以在額定電流下啟動電動機，這就減小了電動機啟動時大電流對電動機定子繞組電動力的作用[24]。一臺變頻器拖動三臺循環(huán)泵（兩運一備），變頻器采用ABB ACS140。如果達(dá)到了要求則第二臺泵停止運行，第一臺泵變頻運行。如果泵反饋信號不等于輸出信號或者任意泵報警，產(chǎn)生“維護(hù)報警”信號。根據(jù)運行時間自動切換各循環(huán)泵。對于循環(huán)泵，該系統(tǒng)有手動和自動兩種變頻功能和一種工頻功能。自動時，變頻器和PLC 控制器進(jìn)行通訊，PLC 控制器根據(jù)室外溫度傳感器和二次供回水溫度傳感器傳上來的信號進(jìn)行處理，按照供熱要求給變頻器發(fā)出控制指令，控制電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)循環(huán)泵輸出流量，從而達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。變頻器輸出 U、V、W 相序應(yīng)與工頻旁路電源LLL3 相序一致。 循環(huán)泵變頻硬件設(shè)計本系統(tǒng)的可編程控制器選用西門子 S7200，此系列單片機功能強大，既可獨立運行又可連接到網(wǎng)絡(luò)，有很高的性價比。 選用的主機的具體型號為CPU226 型：24 輸入/16 繼電器輸出，共40個數(shù)字量I/O 點，可連接7個擴展模塊，13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。另外配置了以太網(wǎng)通訊模塊，用于與上位機進(jìn)行以太網(wǎng)通訊連接。即補水泵采用一運一備。SASASA3 分別為3 臺循環(huán)泵的停止開關(guān)，SASASA6 分別為3 臺循環(huán)泵的手動起停操作開關(guān)。FRFRFR3 分別為3 臺循環(huán)泵的過載保護(hù)，F(xiàn)A 為變頻器保護(hù)。用戶指令存放在塊中，這些塊包括：組織塊(OB)，提供操作系統(tǒng)與用戶程序的接口，OB1 執(zhí)行用戶程序的循環(huán)處理，其他塊響應(yīng)特定事件和中斷：功能塊(FB)，有相聯(lián)存儲器區(qū)的邏輯塊，單個CPU 可以以不同的計時數(shù)據(jù)塊多次調(diào)用；功能(FC)，無相聯(lián)存儲器區(qū)的邏輯塊。S7 編程軟件設(shè)有在線監(jiān)測功能，用戶可很直觀地在線監(jiān)測輸入、輸出口及程序中各變量及數(shù)據(jù)的實時值，另外系統(tǒng)提供故障診斷功能，可以幫助用戶迅速查找程序運行中產(chǎn)生故障的原因，便于及時處理和解決。其次是自動加泵減泵功能，在一臺泵工作時若溫度沒有達(dá)到設(shè)定值，而變頻器的輸出頻率卻已經(jīng)達(dá)到了上限，則自動切換本泵為工頻運行，投入第二臺泵為變頻運行；在兩臺泵工作時，若溫度達(dá)到了要求，而變頻器的輸出頻率低于設(shè)定頻率，則停變頻泵，將工頻泵投變頻運行。最后故障自切換功能保證了在有備用泵的前提下，在運行泵出現(xiàn)故障時可以自動切換到備用泵，從而防止出現(xiàn)停水事故和停泵水錘對管網(wǎng)及泵站造成破壞。采用變頻調(diào)速技術(shù)控制水泵的流量(變頻器的輸入由PLC 根據(jù)室外溫度和二次供回水的溫度計算給出)，無疑是最高效、節(jié)能的方法。循環(huán)泵變頻啟動過程的框圖如下圖38所示：圖38 循環(huán)泵PLC程序流程圖程序可以根據(jù)溫度的數(shù)值來確定是否需要啟動或者停止變頻泵工作，而且當(dāng)系統(tǒng)工作發(fā)生故障時，可以及時匯報給工作人員，傳遞信息。由于管網(wǎng)失水，不僅會造成管網(wǎng)的壓力降低，還會使管網(wǎng)及鍋爐內(nèi)的水發(fā)生汽化而造成鍋爐能力下降，從而導(dǎo)致整個供熱系統(tǒng)不能正常運行或停止運行。熱水供熱系統(tǒng)在運行中管網(wǎng)失水是不可避免的，如果不及時補水，不僅會造成管網(wǎng)壓力降低，還會使管網(wǎng)及汽—水換熱器內(nèi)的水汽化，造成整個供熱系統(tǒng)不能正常運行甚至停止運行。以往的設(shè)計方案有兩種：一是采用間斷性補水，這種系統(tǒng)在熱網(wǎng)回水管上安裝一塊電接點壓力表，利用電接點壓力表的微動觸點開關(guān)，根據(jù)管網(wǎng)壓力的上下限整定值來自動控制補水泵的起、停。此方法是依靠自力式壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)回水管的流量控制補水量，缺點是白白消耗大量能量，而且調(diào)節(jié)效果要依賴調(diào)節(jié)閥的質(zhì)量和使用的好壞。 補水定壓方法鑒于上述的缺點，本系統(tǒng)采用了變頻調(diào)速技術(shù)。由以上公式可知：水泵消耗的功率和水泵出口壓力，與輸出流量的乘積成正比，與其頻率比()成三次方關(guān)系，因此，當(dāng)管網(wǎng)失水量很小，壓力基本恒定時，水泵向管網(wǎng)的實際補水量就很?。淮藭r水泵（電動機)的實際轉(zhuǎn)速或供電頻率 便可以降低，而供電頻率越低，水泵實際消耗的功率便越小。當(dāng)管網(wǎng)失水較多時，管網(wǎng)壓力下降，變頻調(diào)速控制裝置便將電機(水泵