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　　摘  要 介紹了熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的構成、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，詳細說明了各種方案的優(yōu)缺點，用戶可根據(jù)實際應用需求選擇高性能的、實用的、經(jīng)濟的解決方案。

　　關鍵詞 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，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)度自動化而設計的，它集人機界面、數(shù)據(jù)庫管理、計算機網(wǎng)絡、遠程數(shù)據(jù)通訊、過程控制和信號檢測等先進技術于一體，是區(qū)域供熱實現(xiàn)現(xiàn)代化管理的一個重要標志。

　　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、易維護等特點，為城市熱網(wǎng)監(jiān)控提供了高性能的、實用的、經(jīng)濟的解決方案。

　　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)供水管道進入換熱器，經(jīng)過熱交換后，再經(jīng)一次網(wǎng)回水管道流回熱源。而二次網(wǎng)的水在熱交換后經(jīng)二次網(wǎng)供水管道進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)設計

　　熱網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對各換熱站工藝參數(shù)、電氣參數(shù)和設備運行狀態(tài)進行監(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、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)的實時采集、各種運行設備的狀態(tài)實時反映和控制；在通訊網(wǎng)絡的支撐下，通過某種網(wǎng)絡接口將反映換熱站運行狀態(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)控中心負責接收各現(xiàn)場監(jiān)控設備發(fā)來的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行存儲、歷史趨勢分析、報警、報表打印等，在此基礎上，向各現(xiàn)場設備發(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)服務器、操作員工作站、工程師工作站、通訊網(wǎng)關、模擬屏、以太網(wǎng)交換機、防火墻、打印機、UPS電源等組成。對規(guī)模較小的供熱企業(yè)，可不設數(shù)據(jù)服務器，直接操作員工作站兼數(shù)據(jù)服務器的功能；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)服務器，運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)服務器上安裝熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，負責采集現(xiàn)場PLC控制站的數(shù)據(jù)，監(jiān)測各換熱站的運行情況并指導操作員進行操作。數(shù)據(jù)服務器實時地從現(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。服務器還向現(xiàn)場PLC控制站發(fā)送控制和參數(shù)設置指令。調(diào)度運行人員可從調(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行的數(shù)據(jù)并向熱力站下達指令。

　　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)、實時數(shù)據(jù)，建立歷史數(shù)據(jù)庫；先進的報警管理功能，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

　　通訊網(wǎng)絡是整個熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)絡的樞紐，各個換熱站、熱源、管道監(jiān)控節(jié)點通過通訊網(wǎng)絡系統(tǒng)形成一個統(tǒng)一的整體。為了實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)的集中監(jiān)測、控制、調(diào)度，必須建立連接所有監(jiān)控點的通訊網(wǎng)絡。隨著網(wǎng)絡技術的飛速發(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)通部門提供的服務在價格和技術上差異較大，對于通訊方式的選擇應該結合實際情況進行仔細分析和比較，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)絡主要有如下四種方案：

　　（1）撥號通訊網(wǎng)絡：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：網(wǎng)絡建設簡單，維護工作量小，運行費用較低；

　　 缺點：網(wǎng)絡不穩(wěn)定，實時性差，同時只能有一個站上報數(shù)據(jù)；

　　（2）無線通訊網(wǎng)絡：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：運行費用較低；

　　缺點：安裝工作量較大、網(wǎng)絡不太穩(wěn)定，易受干擾，實時性差。

圖3  無線電臺通訊方案系統(tǒng)圖

　　（3）移動通訊網(wǎng)絡：GPRS/CDMA網(wǎng)絡

圖4  GPRS通訊方案系統(tǒng)圖

　　優(yōu)點：安裝簡單，不受傳輸距離限制，抗干擾能力強，易維護；

　　缺點：運行費用相對較高。

　　（4）虛擬專用網(wǎng)絡、ADSL等各種寬帶技術

圖5  ADSL通訊方案系統(tǒng)圖

　　優(yōu)點：實時性較好，安裝簡單，易維護，網(wǎng)絡的安全防范性好；

　　缺點：運行費用相對較高。

　　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，并實現(xiàn)一些參數(shù)設定信息的輸入。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。

　　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、熱用戶運行參數(shù)（一、二次網(wǎng)溫度、壓力、流量等）、各種設備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控及采集，并根據(jù)氣象環(huán)境和負荷的變化按預先設定的控制策略對換熱站循環(huán)泵、補水泵和調(diào)節(jié)閥進行自動調(diào)節(jié)，來實現(xiàn)換熱機組的完全自動控制，在通訊網(wǎng)絡的支撐下，現(xiàn)場監(jiān)控站通過將反映換供熱運行數(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，目標設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運算，得出控制量來調(diào)節(jié)閥門的開度，實現(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)一般都是按設計供熱負荷選取，對于實施分戶熱計量的用戶采暖系統(tǒng)，二次網(wǎng)具備變流量運行功能，即使對于通常用戶采暖系統(tǒng)，在實際運行中，隨著熱負荷變化循環(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，目標設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運算，得出控制量來調(diào)節(jié)閥門的開度，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖7 二次網(wǎng)控制原理圖

　　4.3 補水恒壓自控系統(tǒng)

　　（1）工藝系統(tǒng)組成

　　硬件由補水泵控制變頻器、補水泵定壓采樣旁通（置于循環(huán)水泵上）、泄壓旁通（置于補水泵上）、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，當此壓力值低于設定壓力時，變頻控制柜指令補水泵加速補水；當系統(tǒng)壓力高于設定壓力時，變頻控制柜指令補水泵減速補水；當系統(tǒng)壓力超過限定壓力時，泄壓旁通上的旁通閥開啟，進行排水泄壓。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位置，如果恒壓點位置確定準確，則系統(tǒng)恒壓點的壓力就能按設定值精確控制。水箱液位是通過液位傳感器提供的，當液位超過高液位時，給水電磁閥關閉；當水箱液位降到低于下水位時，給水補給，熱力站按停機程序關機，待恢復到正常水位，熱力站按開機程序自動投運。

　　（3）自動控制框圖

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

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。

　　熱力站設置熱計量裝置不僅為日后實施按熱計量收費提供了計量手段，而且“熱量與流量”作為重要的運行參數(shù)，對核算各個熱力站技術經(jīng)濟指標和指導供熱運行提供了重要依據(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)運行的大惰性和控制系統(tǒng)的非實時性，要求現(xiàn)場控制設備能按指定的時間間隔進行參數(shù)存儲，一般情況下這些參數(shù)通過通訊網(wǎng)絡定期傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的服務器中。

　　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)絡進行數(shù)據(jù)通信，以便監(jiān)控中心能了解系統(tǒng)的整個運行狀況，做到系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化運行。

　　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，以方便運行人員在現(xiàn)場對運行狀況一目了然，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運算模塊，可以完成室外溫度補償、自動補水、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)的設計與實現(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，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際應用，為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟效益和良好的社會效益。

　　參考文獻

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