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　　摘  要 介紹了熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成、通訊、工藝及控制策略、功能等。方案采用和利時公司LK系列PLC，并提供了四種通訊解決方案，詳細(xì)說明了各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，用戶可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求選擇高性能的、實(shí)用的、經(jīng)濟(jì)的解決方案。

　　關(guān)鍵詞 調(diào)度監(jiān)控中心；換熱站,熱網(wǎng)；LK；可編程控制器

　　1 引言

　　集中供熱是國家大力推廣的節(jié)能和環(huán)保措施，是今后供熱的發(fā)展方向，它具有熱效率高、節(jié)能、污染小、供熱效果好等優(yōu)點(diǎn)，一般采用熱電廠的余熱。熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)是專為熱網(wǎng)調(diào)度自動化而設(shè)計的，它集人機(jī)界面、數(shù)據(jù)庫管理、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊、過程控制和信號檢測等先進(jìn)技術(shù)于一體，是區(qū)域供熱實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化管理的一個重要標(biāo)志。

　　本文介紹了基于和利時公司LK系列PLC的熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，作為國內(nèi)首款大型PLC，LK系列PLC具有高性能、高可靠性、通訊靈活、易維護(hù)等特點(diǎn)，為城市熱網(wǎng)監(jiān)控提供了高性能的、實(shí)用的、經(jīng)濟(jì)的解決方案。

　　2 熱網(wǎng)系統(tǒng)工作原理

　　熱力系統(tǒng)由一次網(wǎng)系統(tǒng)、二次網(wǎng)系統(tǒng)、恒壓補(bǔ)水系統(tǒng)、熱計量系統(tǒng)組成，各部分之間相互聯(lián)系相互作用。熱源通過一次網(wǎng)供水管道進(jìn)入換熱器，經(jīng)過熱交換后，再經(jīng)一次網(wǎng)回水管道流回?zé)嵩础６尉W(wǎng)的水在熱交換后經(jīng)二次網(wǎng)供水管道進(jìn)入取暖用戶的散熱器，用戶取得熱量后，經(jīng)二次網(wǎng)回水管道再進(jìn)入熱交換器，如此循環(huán)給用戶供暖。如圖1所示。

圖1 熱力系統(tǒng)工作原理示意圖

　　3 熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

　　熱網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對各換熱站工藝參數(shù)、電氣參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測、控制、聯(lián)鎖和報警以及報表打印。通過使用在調(diào)度中心和各換熱站間的一系列通訊鏈，完成整個熱網(wǎng)調(diào)度所必需的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)通訊，順序控制，時間控制，回路調(diào)節(jié)及上位監(jiān)視和管理作用。整個系統(tǒng)由調(diào)度監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場PLC控制站三部分組成。現(xiàn)場PLC換熱站主要完成各換熱站一、二次網(wǎng)的溫度、壓力、流量、液位等工藝參數(shù)的實(shí)時采集、各種運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)實(shí)時反映和控制；在通訊網(wǎng)絡(luò)的支撐下，通過某種網(wǎng)絡(luò)接口將反映換熱站運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳送到調(diào)度監(jiān)控中心，同時接收調(diào)度監(jiān)控中心發(fā)來的調(diào)度控制指令；調(diào)度監(jiān)控中心負(fù)責(zé)接收各現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備發(fā)來的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、歷史趨勢分析、報警、報表打印等，在此基礎(chǔ)上，向各現(xiàn)場設(shè)備發(fā)出調(diào)度控制指令。

　　3.1調(diào)度監(jiān)控中心

　　熱網(wǎng)監(jiān)控中心主要由數(shù)據(jù)服務(wù)器、操作員工作站、工程師工作站、通訊網(wǎng)關(guān)、模擬屏、以太網(wǎng)交換機(jī)、防火墻、打印機(jī)、UPS電源等組成。對規(guī)模較小的供熱企業(yè)，可不設(shè)數(shù)據(jù)服務(wù)器，直接操作員工作站兼數(shù)據(jù)服務(wù)器的功能；對于系統(tǒng)規(guī)模較大的供熱企業(yè)來說，如果熱力站規(guī)模超過50個以上，建議采用專用的數(shù)據(jù)服務(wù)器，運(yùn)行管理人員主要通過操作員工作站完成監(jiān)控工作。

　　數(shù)據(jù)服務(wù)器上安裝熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場PLC控制站的數(shù)據(jù)，監(jiān)測各換熱站的運(yùn)行情況并指導(dǎo)操作員進(jìn)行操作。數(shù)據(jù)服務(wù)器實(shí)時地從現(xiàn)場PLC控制站采集數(shù)據(jù)以保證其數(shù)據(jù)庫不斷更新。服務(wù)器還向現(xiàn)場PLC控制站發(fā)送控制和參數(shù)設(shè)置指令。調(diào)度運(yùn)行人員可從調(diào)度監(jiān)控中心通過操作員工作站能夠方便地得到換熱站運(yùn)行的數(shù)據(jù)并向熱力站下達(dá)指令。

　　熱網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控中心監(jiān)控系統(tǒng)采集所有熱力站的歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時數(shù)據(jù)，建立歷史數(shù)據(jù)庫；先進(jìn)的報警管理功能，可以隨時接收來自各熱力站的故障報警，發(fā)出報警信息；優(yōu)秀的圖形化人機(jī)交互界面，用戶使用更加方便；輸出生產(chǎn)報表、管理報表，如日報、周報、月報、年報以及小時平均報表等。

　　3.2通訊網(wǎng)絡(luò)

　　通訊網(wǎng)絡(luò)是整個熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)的樞紐，各個換熱站、熱源、管道監(jiān)控節(jié)點(diǎn)通過通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)形成一個統(tǒng)一的整體。為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的集中監(jiān)測、控制、調(diào)度，必須建立連接所有監(jiān)控點(diǎn)的通訊網(wǎng)絡(luò)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，用戶選擇的空間越來越大，而且各個地方由于網(wǎng)通、電信、移動、聯(lián)通部門提供的服務(wù)在價格和技術(shù)上差異較大，對于通訊方式的選擇應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行仔細(xì)分析和比較，最終選擇最適合自己的通訊方式。目前可供用戶選擇通訊網(wǎng)絡(luò)主要有如下四種方案：

　　（1）撥號通訊網(wǎng)絡(luò)：直接采用調(diào)制解調(diào)器撥號

圖2  撥號通訊方案系統(tǒng)圖

　　優(yōu)點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)建設(shè)簡單，維護(hù)工作量小，運(yùn)行費(fèi)用較低；

　　 缺點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，實(shí)時性差，同時只能有一個站上報數(shù)據(jù)；

　　（2）無線通訊網(wǎng)絡(luò)：無線電臺，采用公用無線頻段，自建無線發(fā)射、接收站

　　優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行費(fèi)用較低；

　　缺點(diǎn)：安裝工作量較大、網(wǎng)絡(luò)不太穩(wěn)定，易受干擾，實(shí)時性差。

圖3  無線電臺通訊方案系統(tǒng)圖

　　（3）移動通訊網(wǎng)絡(luò)：GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)

圖4  GPRS通訊方案系統(tǒng)圖

　　優(yōu)點(diǎn)：安裝簡單，不受傳輸距離限制，抗干擾能力強(qiáng)，易維護(hù)；

　　缺點(diǎn)：運(yùn)行費(fèi)用相對較高。

　　（4）虛擬專用網(wǎng)絡(luò)、ADSL等各種寬帶技術(shù)

圖5  ADSL通訊方案系統(tǒng)圖

　　優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時性較好，安裝簡單，易維護(hù)，網(wǎng)絡(luò)的安全防范性好；

　　缺點(diǎn)：運(yùn)行費(fèi)用相對較高。

　　3.3現(xiàn)場PLC控制站

　　現(xiàn)場PLC控制站主要由液晶顯示操作終端和控制系統(tǒng)兩部分組成。彩色液晶顯示屏主要完成各種監(jiān)控畫面、采集參數(shù)的顯示，并實(shí)現(xiàn)一些參數(shù)設(shè)定信息的輸入。控制系統(tǒng)采用性價比較高的LK系列PLC，包括CPU模塊、I/O模塊，背板等，系統(tǒng)集成多種通訊接口，適用于各種通訊網(wǎng)絡(luò)。

　　現(xiàn)場PLC控制站主要功能是對各換熱站、供熱沿線各節(jié)點(diǎn)、熱用戶運(yùn)行參數(shù)（一、二次網(wǎng)溫度、壓力、流量等）、各種設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控及采集，并根據(jù)氣象環(huán)境和負(fù)荷的變化按預(yù)先設(shè)定的控制策略對換熱站循環(huán)泵、補(bǔ)水泵和調(diào)節(jié)閥進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，來實(shí)現(xiàn)換熱機(jī)組的完全自動控制，在通訊網(wǎng)絡(luò)的支撐下，現(xiàn)場監(jiān)控站通過將反映換供熱運(yùn)行數(shù)據(jù)傳送到調(diào)度中心，同時接收調(diào)度中心發(fā)來的調(diào)度控制指令。

　　4 系統(tǒng)控制策略

　　4.1 一次網(wǎng)控制系統(tǒng)

　　（1）工藝系統(tǒng)組成

　　系統(tǒng)硬件主要由一次供水電動調(diào)節(jié)閥、室外溫度傳感器、一次供回水溫度傳感器、二次供回水溫度傳感器組成。

　　（2）工藝控制原理

　　一次網(wǎng)供熱量的調(diào)節(jié)控制是由PID控制器來實(shí)現(xiàn)的。控制器根據(jù)室外溫度生成二次網(wǎng)供回水平均溫度的設(shè)定值，指令一次網(wǎng)的電動調(diào)節(jié)閥動作。通過調(diào)節(jié)電動閥的開度，控制一次網(wǎng)流量變化量。再由流量的變化調(diào)節(jié)用戶的供熱量。

　　（3）自動控制框圖

　　從圖中可以看出，目標(biāo)設(shè)定值與反饋回來的二次網(wǎng)供回水平均溫度作比較，產(chǎn)生的差值經(jīng)過PID運(yùn)算，得出控制量來調(diào)節(jié)閥門的開度，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。如圖6所示。

圖6 一次網(wǎng)控制原理圖

　　4.2 二次網(wǎng)控制系統(tǒng)

　　（1）工藝系統(tǒng)組成

　　硬件主要由變頻器、循環(huán)水泵、二次供回水溫度和壓力傳感器、室外溫度傳感器及控制電路組成。

　　（2）工藝控制原理

　　熱力站間接連接供熱方式，一次網(wǎng)與二次網(wǎng)水力工況互不影響。二次網(wǎng)循環(huán)水泵的工作參數(shù)一般都是按設(shè)計供熱負(fù)荷選取，對于實(shí)施分戶熱計量的用戶采暖系統(tǒng)，二次網(wǎng)具備變流量運(yùn)行功能，即使對于通常用戶采暖系統(tǒng)，在實(shí)際運(yùn)行中，隨著熱負(fù)荷變化循環(huán)水泵變流量參與供熱調(diào)節(jié)也可節(jié)約大量電能。此外，用戶室內(nèi)采暖系統(tǒng)無論是單管還是雙管系統(tǒng)，最佳調(diào)節(jié)方式都是質(zhì)量并調(diào)，即隨室外溫度的變化，不但調(diào)節(jié)供水溫度，而且要調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量，這樣才能真正消除系統(tǒng)的水平失調(diào)和垂直失調(diào)。

　　（3）自動控制框圖

　　從圖7中可以看出，目標(biāo)設(shè)定值與反饋回來的二次網(wǎng)供回水溫差作比較，產(chǎn)生的差值經(jīng)過PID運(yùn)算，得出控制量來調(diào)節(jié)閥門的開度，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖7 二次網(wǎng)控制原理圖

　　4.3 補(bǔ)水恒壓自控系統(tǒng)

　　（1）工藝系統(tǒng)組成

　　硬件由補(bǔ)水泵控制變頻器、補(bǔ)水泵定壓采樣旁通（置于循環(huán)水泵上）、泄壓旁通（置于補(bǔ)水泵上）、水箱、水箱液位計、給水電磁閥組成。

　　（2）工藝控制原理

　　補(bǔ)水定壓系統(tǒng)的作用是防止二次網(wǎng)倒空，保證系統(tǒng)在規(guī)定壓力下恒壓運(yùn)行。該功能是通過變頻調(diào)速控制柜完成的。系統(tǒng)壓力信號來自定壓采樣旁通上的壓力傳感器，當(dāng)此壓力值低于設(shè)定壓力時，變頻控制柜指令補(bǔ)水泵加速補(bǔ)水；當(dāng)系統(tǒng)壓力高于設(shè)定壓力時，變頻控制柜指令補(bǔ)水泵減速補(bǔ)水；當(dāng)系統(tǒng)壓力超過限定壓力時，泄壓旁通上的旁通閥開啟，進(jìn)行排水泄壓。在這里，從定壓旁通上取壓力信號是為了尋找真正的恒壓點(diǎn)位置，如果恒壓點(diǎn)位置確定準(zhǔn)確，則系統(tǒng)恒壓點(diǎn)的壓力就能按設(shè)定值精確控制。水箱液位是通過液位傳感器提供的，當(dāng)液位超過高液位時，給水電磁閥關(guān)閉；當(dāng)水箱液位降到低于下水位時，給水補(bǔ)給，熱力站按停機(jī)程序關(guān)機(jī)，待恢復(fù)到正常水位，熱力站按開機(jī)程序自動投運(yùn)。

　　（3）自動控制框圖

　　如圖8所示，在正常情況下，進(jìn)行正常的PID調(diào)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)壓力超限時，管網(wǎng)上的排壓閥打開。水箱控制策略是：當(dāng)液位高于高高限時，控制器給出關(guān)閉給水閥的信號；當(dāng)液位低于低低限時供水程序停止，直到液位恢復(fù)。

圖8 變頻供水控制原理圖

　　4.4 熱計量系統(tǒng)

　　（1）工藝系統(tǒng)組成與參數(shù)

　　硬件由一次供回水溫度傳感器，一次回水安裝的流量計、積分儀組成。熱計量需上傳和就地顯示的參數(shù)分別是瞬時流量、累計流量與瞬時熱量、累計熱量。

　　熱力站設(shè)置熱計量裝置不僅為日后實(shí)施按熱計量收費(fèi)提供了計量手段，而且“熱量與流量”作為重要的運(yùn)行參數(shù)，對核算各個熱力站技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和指導(dǎo)供熱運(yùn)行提供了重要依據(jù)。

　　5 系統(tǒng)功能

　　1）參數(shù)檢測：主要完成熱網(wǎng)現(xiàn)場過程的模擬量（如溫度、壓力、熱量等）、狀態(tài)量（如泵的狀態(tài)、溫度等）及脈沖量的測量。

　　2）數(shù)據(jù)存儲：由于熱網(wǎng)運(yùn)行的大惰性和控制系統(tǒng)的非實(shí)時性，要求現(xiàn)場控制設(shè)備能按指定的時間間隔進(jìn)行參數(shù)存儲，一般情況下這些參數(shù)通過通訊網(wǎng)絡(luò)定期傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的服務(wù)器中。

　　3）通訊：LK系列PLC內(nèi)置RS232、RS485、以太網(wǎng)、PROFIBUS-DP等多種接口，可采用MODBUS協(xié)議、TCP/IP協(xié)議、UDP協(xié)議、自由協(xié)議支持的撥號、無線電臺、GPRS/CDMA、ADSL等多種通訊方式。該控制器能夠在主動或被動方式下與監(jiān)控中心通過某種通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以便監(jiān)控中心能了解系統(tǒng)的整個運(yùn)行狀況，做到系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行。

　　4）系統(tǒng)安全：LK系列PLC具有電源、CPU、以太網(wǎng)、總線冗余的功能。同時，LK的采集模塊具有掉電檢測、斷路檢測、短路檢測等功能，提高了系統(tǒng)得安全性。

　　5）顯示操作功能：該控制器具備液晶顯示和操作界面，以方便運(yùn)行人員在現(xiàn)場對運(yùn)行狀況一目了然，同時可以人工直接控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行工況。

　　6）報警功能：該控制器能夠識別參數(shù)異常，并做出報警提示、報警上傳等故障處理。

　　7）控制調(diào)節(jié)功能：LK控制器集成了PID運(yùn)算模塊，可以完成室外溫度補(bǔ)償、自動補(bǔ)水、溫度調(diào)節(jié)、流量調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)的自動調(diào)節(jié)。

　　6 結(jié)束語

　　本文討論了基于LK系列PLC的熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，充分發(fā)揮了LK可編程控制器配置靈活、控制可靠、編程方便和可現(xiàn)場調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)，使整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性有了可靠保障。該控制系統(tǒng)已在最近的采暖期中得到實(shí)際應(yīng)用，為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會效益。

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