熱力公司換熱站控制系統(tǒng)設計.doc

第一章 緒論1.1 集中供暖的發(fā)展概述集中供暖是在十九世紀末期，伴隨經(jīng)濟的發(fā)展和科學技術的進步，在集中供暖技術的基礎上發(fā)展起來的，它利用熱水或蒸汽作為熱媒，由集中的熱源向一個城市或較大區(qū)域供應熱能。集中供暖不僅為城市提供穩(wěn)定、可靠的熱源，改善人民生活，而且與傳統(tǒng)的分散供熱相比，能節(jié)約能源和減少污染，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。1.1.1 國外集中供暖發(fā)展概況集中供暖方式始于1877年，當時在美國紐約，建立了第一個區(qū)域鍋爐房向附近14家用戶供熱。20世紀初期，一些工業(yè)發(fā)達的國家，開始利用發(fā)電廠內(nèi)汽輪機的排氣，供給生產(chǎn)和生活用熱，其后逐漸成為現(xiàn)代化的熱電廠。在上世紀中，特別是二次世界大戰(zhàn)以后，西方一些發(fā)達國家的城鎮(zhèn)集中供暖事業(yè)得到迅速發(fā)展。原蘇聯(lián)和東歐國家的集中供暖事業(yè)長期以來是實行以積極發(fā)展熱電廠為主的發(fā)展政策。原蘇聯(lián)集中供暖規(guī)模，居世界首位。地處寒冷氣候的北歐國家，如瑞典、丹麥、芬蘭等國家，在第二次世界大戰(zhàn)以后集中供暖事業(yè)發(fā)展迅速，城市集中供暖普及率都較高。據(jù)1982年資料，如瑞典首都斯德哥爾摩市，集中供暖普及率為35%；丹麥集中供暖系統(tǒng)遍及全國城鎮(zhèn)，向全國1/3以上的居民供暖和熱水供應。第二次世界大戰(zhàn)后德國在廢墟中進行重建工作，為發(fā)展集中供暖提供了有力的條件。目前除柏林、漢堡、慕尼黑等城市已有規(guī)模較大的集中供暖系統(tǒng)外，在魯爾地區(qū)和萊茵河下游，還建立了聯(lián)結幾個城市的城際供暖系統(tǒng)。在一些工業(yè)發(fā)達較早的國家中，如美、英、法等國家，早期多以鍋爐房供暖來發(fā)展集中供暖事業(yè)，鍋爐房供暖占較大比例。不過這些國家已非常重視發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)的集中供暖方式。1.1.2 國內(nèi)集中供暖發(fā)展概況我國城市集中供暖真正起步是在50年代開始的，黨的十一屆三中全會以后，特別是國務院1986年下發(fā)關于加強城市集中供熱管理工作的報告，對我國的集中供暖事業(yè)的發(fā)展起到了極大的推動作用。雖然我國這些年來集中供暖事業(yè)取得了迅速發(fā)展，但是和國外相比，我國目前采暖系統(tǒng)相當落后，具體體現(xiàn)在供暖質(zhì)量差，即室溫冷熱不均，系統(tǒng)效率低下，不僅多耗成倍能量，而且用戶不能自行調(diào)節(jié)室溫。在功能上，發(fā)達國家通常室內(nèi)溫度保持22攝氏度，我國僅為16攝氏度，而且我國的供暖質(zhì)量很差，室溫冷熱不均，系統(tǒng)熱效率低下，大多數(shù)地方?jīng)]有采取按戶計費，用戶也不能自行設定和調(diào)節(jié)室溫等等。我國城市集中供暖目前存在的能源浪費主要來源與：建筑的保暖隔熱和氣密性能差；采暖系統(tǒng)相當落后。造成結果是：低效率，我國供暖采暖系統(tǒng)普遍存在低負荷、低效率運行，實際供暖面積平均只有設備能力的40%左右。管網(wǎng)輸送效率低，管道泄漏和偷水現(xiàn)象嚴重；缺乏控制手段：我國供暖系統(tǒng)只有簡單的調(diào)節(jié)手段，水力水平失調(diào)、垂直失調(diào)嚴重：沒有恒溫裝置，供熱不足和過度時，沒有有效的調(diào)節(jié)手段；缺乏計量手段：采暖系統(tǒng)一般不設熱表，沒有計量收費造成用戶不會主動去節(jié)能，沒有計量也造成了管理運行人員沒有具體數(shù)量上的依據(jù)來運行管理。換熱站的發(fā)展為改變了之前供熱系統(tǒng)的眾多缺陷。1.2 換熱站的簡介及運行現(xiàn)狀換熱站與鍋爐房是根本不同的。鍋爐房是用燃料把水（或其他介質(zhì)）加熱到具有一定參數(shù)的地方；而換熱站是為了把鍋爐房生產(chǎn)的高溫熱水（高于100C）轉(zhuǎn)換成能夠直接給用戶供熱的熱水（低于100C）。鍋爐房是生產(chǎn)地，其主要設備有：鍋爐、鼓風機、引風機、循環(huán)泵、和各種輔助設備（上煤機，除渣機）等，其中鍋爐是主體。而換熱站是個中轉(zhuǎn)站，現(xiàn)在換熱站的主要換熱方式有：換熱板、混水等。說白了換熱站就像一個大的過水熱，唯一不同的是它很大.它們都屬于供熱系統(tǒng)的一部分，又各自具有不同的功能。其工藝流程是：鍋爐房（高溫熱水）換熱站（低溫熱水）用戶（低溫熱水）換熱站（低溫熱水）鍋爐房通常換熱站內(nèi)部設備可分為兩個部分，即采暖系統(tǒng)和民用生活系統(tǒng)，目前我國換熱站大部分沒有民用熱水設施。今后隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，人民生活水平的提高在換熱站內(nèi)應該普及生活熱水系統(tǒng)，來提高集中供暖的效益。換熱站的主要設備有：離心水泵、汽-水換熱器、熱水儲水箱、過濾器、補水泵調(diào)節(jié)閥熱媒參數(shù)調(diào)節(jié)和檢測儀表、防止用戶熱水供應裝置生銹和結垢的設備等。換熱站內(nèi)還安裝有熱量表以及調(diào)節(jié)供熱量的自動調(diào)節(jié)裝置。但是目前來說大部分換熱站還不能實現(xiàn)全自動化無人值守，大部分缺乏控制手段，耗能嚴重造成資源的許多不必要的浪費。1.3 課題的來源及意義隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們對供暖質(zhì)量的需求也在逐步提高。在傳統(tǒng)供熱模式下，為滿足供熱需求，換熱站內(nèi)設備運行參數(shù)多為人工調(diào)節(jié)，隨著室外溫度及熱負荷的不斷改變，不斷的人工調(diào)節(jié)二次供水溫度以保證用戶室內(nèi)能夠維持恒定的溫度。在這種情況下，人工手動調(diào)節(jié)必然存在著較大偏差，只能夠根據(jù)經(jīng)驗達到粗調(diào)節(jié)，不能夠 居民對室內(nèi)溫度恒定。為了改變這一情況，多年以來供熱行業(yè)一直在探討開發(fā)能充分適應熱負荷不斷變化的細調(diào)節(jié)運行方式，以適應熱負荷變化較大、調(diào)節(jié)頻率較高對系統(tǒng)平衡能力的需求，滿足熱用戶的合理需求，達到經(jīng)濟運行目的。目前，由微機監(jiān)控換熱站從技術上滿足了這種需求，其原理是通過變送器遠程采集系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，經(jīng)有線或者無線方式將信號傳遞到控制中心進行中央監(jiān)控，同時將控制信號以組態(tài)模式實時反饋，控制電控執(zhí)行機構進行系統(tǒng)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對二次供、回水溫度的合理控制和處理突發(fā)事故。無人值守換熱站具有以下特點：運行人員少，人員培訓時間段，界面人格化，且能只管的監(jiān)控換熱站的運行情況；可以科學的根據(jù)天氣情況及負荷變化通過適時反饋自動進行蒸汽流量細調(diào)節(jié)，降低直接成本；既可以循環(huán)監(jiān)控各換熱站的運行參數(shù)，又能抽調(diào)某個換熱站的運行狀態(tài)，保證了系統(tǒng)監(jiān)控實時性；可以設定系統(tǒng)臨界參數(shù)，系統(tǒng)異常時在控制中心實現(xiàn)報警，在必要時能及時的將控制信號自動反饋到電動執(zhí)行機構，處理突然事故，保證了系統(tǒng)的安全性。從理論上，通過計算機技術、PLC、傳感器數(shù)據(jù)通訊技術和測控技術，需做到換熱站在整個運行期間無需人員巡視時可行的，但是相應的硬件設施投入相對過大。因此從企業(yè)經(jīng)濟效益角度出發(fā)，應以遠程監(jiān)控影像安全運行參數(shù)為主，輔以人員巡查，達到無人值守的目的。本課題來源于平安小區(qū)換熱站的控制與技術，如何隨時了解換熱站的工作情況和有關信息，并根據(jù)這些信息和室外溫度對換熱站進行及時調(diào)控，使供暖系統(tǒng)始終在一個最佳工況下運行，從而獲得良好的經(jīng)濟效益和社會效益，這就是本課題的研究目的所在。第二章 換熱站控制方案2.1換熱站的簡介 換熱站和熱水管網(wǎng)是連接熱源和熱用戶的重要環(huán)節(jié)，在整個供暖系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用。換熱站是指連接于一次網(wǎng)與二次網(wǎng)并裝有與用戶連接的相關設備，儀表和控制設備的機房。它用于調(diào)整和保持熱媒參數(shù)（壓力，溫度和流量），是供熱，用熱達到安全經(jīng)濟運行，是熱量交換，熱量分配一集系統(tǒng)監(jiān)控，調(diào)節(jié)的樞紐。換熱站一般由汽水換熱器組成的換熱系統(tǒng)，循環(huán)水泵組成的循環(huán)系統(tǒng)，補水泵組成的補水系統(tǒng)來構成。在控制過程中，需要采集大量的物理量，如壓力，溫度，流量等模擬量參數(shù)。需要通過PLC對這些參數(shù)進行實時采集和處理。換熱站的自動控制，即實現(xiàn)整個進氣和供水過程的全自動控制。2.2換熱站的構成換熱站控制系統(tǒng)由以下3部分組成： 1）測量儀表及變送器。用于對換熱站的運行參數(shù)及室內(nèi)外溫度進行測量，主要包括一二次供水溫度、室內(nèi)外溫度、二次側供水流量、一二次壓力等測量傳感器。 2）執(zhí)行機構。對于換熱站運行的個調(diào)節(jié)機構進行電動調(diào)節(jié)，主要由變頻器和泵電機組成。 3）PLC和工控機。用對于換熱站運行的自動控制和運行參數(shù)進行監(jiān)測控制、記錄、統(tǒng)計、報警、報表打印等。 換熱站控制系統(tǒng)主要對二次側供水溫度進行自動控制，最終使室溫達到要求。系統(tǒng)由PLC作為底層的 DDC控制器，先進的工業(yè)控制機作為上位機，并配備彩色顯示器、打印機、網(wǎng)絡通信卡等高品質(zhì)的硬件設備，具有系統(tǒng)控制算法、組態(tài)等先進供暖的軟件，可使系統(tǒng)實時地顯示換熱站運行情況，實時地反映出按需供熱，以適應供暖符合的變化，同時使換熱站運行達到最佳工況，并可在惡劣環(huán)境下長期、穩(wěn)定、可靠的運行。通常換熱站內(nèi)部設備可分為兩大部分，即采暖系統(tǒng)和民用生活熱水系統(tǒng)，目前我國換熱站大部分沒有民用熱水設施。今后隨著人民生活水平的提高在換熱站內(nèi)應增加生活熱水系統(tǒng)來提高集中供暖的效益。換熱站的主要設備有：水水（汽水）換熱器，過濾器，補水箱，補水泵，循環(huán)水泵，調(diào)節(jié)閥，熱媒參數(shù)調(diào)節(jié)和檢測儀表，防止用戶熱水供應裝置生銹和結垢的設備等。換熱站內(nèi)還安裝有熱量表及調(diào)節(jié)供熱量的自動調(diào)節(jié)裝置。2.3系統(tǒng)總體方案設計思路集中供熱系統(tǒng)的控制是一個多層次的復雜控制系統(tǒng)。由換熱站控制柜和檢測控制系統(tǒng)構成，控制柜完成循環(huán)水泵系統(tǒng)和補水系統(tǒng)的控制功能，具有手動和自動運行模式，也有工頻和變頻運行模式。PLC可以根據(jù)室外溫度傳感器測量的室外溫度對一次供汽量進行控制，以達到對二次供水溫度進行控制，以達到節(jié)省能源，提高供熱質(zhì)量的目的。PLC通過壓力傳感器和變頻器來實現(xiàn)對二次供水壓力的控制，當一臺補水泵無法通過變頻補水達到所要求的壓力時，控制器可使另一臺備用泵以工頻的方式進行補水。最終實現(xiàn)更加智能化得恒定補水控制。 換熱站的運行程序獨立存在于其控制系統(tǒng)PLC內(nèi)，能夠脫離上位機監(jiān)控管理軟件而獨立運行，其運行可以通過中央控制室上位機監(jiān)控管理系統(tǒng)來觀察并實施調(diào)整。各個換熱站獨立工作的同時，利用通訊系統(tǒng)將運行狀態(tài)數(shù)據(jù)傳給監(jiān)控管理系統(tǒng)供參考，同時接受監(jiān)控管理軟件進行的運行參數(shù)調(diào)整。2.4 該方案要實現(xiàn)的控制功能本方案包括以下基本控制功能：1.運行參數(shù)檢測功能：該熱交換站主要監(jiān)測內(nèi)容有一次熱媒側供回水溫度、二次熱水流量、二次供回水溫度、供回水壓差、室內(nèi)外溫度、供熱水泵工作、故障及手動/自動轉(zhuǎn)換狀態(tài)等。并進行信號處理后在彩色顯示器上顯示，同時還顯示運行模擬圖、主要工藝參數(shù)的變化曲線等畫面。換熱站監(jiān)控系統(tǒng)主要檢測內(nèi)容又一次熱媒側供回水溫度、二次熱水流量、二次供回水溫度、供回水壓差、室內(nèi)外溫度、供熱水泵工作、故障及手動、自動轉(zhuǎn)換狀態(tài)等。 1、系統(tǒng)可以自動進行故障診斷，并在監(jiān)控畫面上顯示各工況參數(shù)并控制設備運行狀態(tài)。 2、根據(jù)本地的氣候條件以及供熱對象的特性，給出一條室外溫度與二次供水溫度之間的對應曲線。控制器可以通過這條曲線根據(jù)室外溫度傳感器測量的室外溫度對一次供汽量進行控制，以達到對二次供水溫度進行控制，以達到節(jié)省能源，提高供熱質(zhì)量的目的。3、在系統(tǒng)中增加晚間節(jié)能的設置，根據(jù)需要設置晚間供熱溫度。自控系統(tǒng)通過加入時間日程表的控制，實現(xiàn)一天當中不同時刻對應不同的溫度。4、PLC通過壓力傳感器和變頻器來實現(xiàn)對二次供水壓力的控制，當一臺補水泵無法通過變頻補水達到所要求的壓力時，控制器可使另一臺備用泵以工頻的方式進行補水。最終實現(xiàn)更加智能化得恒定補水控制。 5、當前可編程控制器是專業(yè)為工業(yè)環(huán)境下應用而設計的工業(yè)控制計算機，已成為電氣控制系統(tǒng)中應用最為廣泛的核心位置，他不僅能實現(xiàn)法杖的邏輯控制，還能完成各種順序或定時的閉環(huán)控制功能，并且抗干擾能力強、可靠性高穩(wěn)定性好、體積小，能在惡劣環(huán)境下長時間不間斷運行。6、在換熱站的控制系統(tǒng)中還附加了安防系統(tǒng)的功能，在監(jiān)測環(huán)境溫度濕度的同時，還可檢測門窗、電源、電壓、電流、地面水分、設備溫度等安防信息，出現(xiàn)意外時，系統(tǒng)自動遠程報警，達到無人值守基站的防護標準。 7)換熱站控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用PID調(diào)節(jié)控制，確保了進氣和供水溫度、壓力準確穩(wěn)定，使換熱站溫度達到用戶的要求，并對其故障實現(xiàn)實時報警和連鎖啟停切換控制。2.控制功能（1）供水溫度的自動控制：根據(jù)裝設在熱水出水管處的溫度傳感器檢測的溫度值與設定值的偏差，自動調(diào)節(jié)二次側供熱水泵的頻率，實現(xiàn)水泵的變頻調(diào)節(jié)。實際使用中當高溫水側流量變化時，出口溫度就降低，用一般反饋由于存在較大的慣性滯后可能使供水溫度產(chǎn)生較大的動態(tài)偏差，為此在系統(tǒng)中應加入流量前饋補償信號。（2）供回水壓差控制：測量供回水壓差控制其旁通閥的開度，以維持壓差設定值；（3）當供熱泵停止運行時，一次熱媒電動調(diào)節(jié)閥自動關閉；（4）根據(jù)裝設在熱水出水管處得溫度傳感器檢測的溫度值與設定值的偏差，自動調(diào)節(jié)二次側供熱水泵的頻率，實現(xiàn)水泵的變頻調(diào)節(jié)。實際使用中當溫度水側流量減小時，出口溫度就降低，采用一般反饋由于存在較大的慣性滯后，可能使供水溫度產(chǎn)生較大的動態(tài)偏差，因此在系統(tǒng)中應加入流量前饋補償信號。另外由于供水溫度的設定值主要由室內(nèi)溫度來確定，因此還需要對室內(nèi)溫度進行控制。找一個標準房間作為被調(diào)對象進行室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)，其設定溫度約為18度，從而通過測定滿足室內(nèi)溫度的換熱站出水溫度和回水溫度及流量，并通過計算獲得較為準確的跟蹤實際情況的熱負荷，達到按需供熱的目的。3. 報警功能：系統(tǒng)將對運行參數(shù)越限、運行故障和設備故障報警并發(fā)出相應的報警信號。4豐富的實時管理功能：操作人員可方便地在線修改各受控輸出的設定值、越限報警值和故障報警值。維修人員可方便地調(diào)整內(nèi)部參數(shù)，使之適應系統(tǒng)的大幅度調(diào)整，如更換儀表、執(zhí)行機構等。第三章 換熱站組成及工作原理3.1 換熱站組成換熱站由換熱器、循環(huán)泵、補水泵、變頻器、流量計、水泵、進氣閥、減壓閥、自動排氣閥、止回閥、溫度表、壓力表等組成，下面就來逐一介紹它們在換熱站中所起的作用。3.1.1換熱器換熱器是換熱站結構中一個最為重要的部分，它是連接一次管網(wǎng)和二次管網(wǎng)的中間環(huán)節(jié)，它的主要功能是將一次管網(wǎng)的蒸汽和循環(huán)水混合，加熱循環(huán)水送至用戶。 換熱站種類很多，換熱器按照傳遞原理可以分為一下幾種形式： 1）直接接觸式換熱器：利用冷熱流體直接接觸，彼此混合進行換熱的換熱器。這類換熱器具有傳熱效率高、單位體積的傳熱面積大、設備結構簡單、價格便宜等優(yōu)點，缺點是僅適用于工藝上允許兩種流體混合的場合。2）蓄熱式換熱器：借助于由固體構成的蓄熱體與熱流體和冷流體交換接觸，把熱量從熱流體傳遞給冷流體的換熱器。這類換熱器具有結構緊湊價格便宜、單位體積面積大的優(yōu)點。適合于汽汽熱交換的場所。3）間壁式換熱器：利用間壁將進行熱交換的冷熱兩種流體隔開，互不接觸，熱量由熱流體通過間壁傳遞給冷流體的換熱器。間壁式換熱器是工業(yè)生產(chǎn)中應用最為廣泛的換熱器。4）中間載熱體式換熱器：把兩個間壁式換熱器由在其中循環(huán)的載熱體連接起來的換熱器。工業(yè)中，最為常見的是管殼式換熱器、板式換熱器以及其他的各種緊湊高效的新型換熱器。該結構采用的調(diào)節(jié)方式是一次側采用量調(diào)節(jié)方式，二次側采用分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)方式，并且采用變頻調(diào)速技術調(diào)節(jié)補水泵對系統(tǒng)進行補水定壓，本系統(tǒng)的控制部分采用PLC可編程控制器進行計算及控制各傳感元件和執(zhí)行器，實現(xiàn)對換熱站的自動調(diào)節(jié)。該改造方案主要是結合換熱站的實際情況，通過對環(huán)境溫度，二次供水溫度及壓力的監(jiān)測，實現(xiàn)對一次側的供汽量和二次循環(huán)水供水溫度，流量的自動調(diào)節(jié)以適應熱用戶的實際需求，同時對二次管網(wǎng)系統(tǒng)進行自動補水定壓以維持其的穩(wěn)定性。3.1.2循環(huán)水泵換熱站的水利循環(huán)以及補水定壓都需要水泵，水泵的種類很多，按工作原理分為：1）葉片式水泵：它對流體的壓送是靠裝有葉片的葉輪的高速旋轉(zhuǎn)完成的。包括離心泵、軸流泵、混流泵的等。2）容積式水泵：它對液體的壓送是靠泵體工作室的容積的改變完成的。如活塞式往復泵、轉(zhuǎn)子泵等。3）其他類型：上述的兩種泵。如螺旋泵、射流泵、水錘泵、水輪泵以及氣升泵等。他們都是利用高速液流的動能來輸送液體的。 變頻調(diào)速原理：通過流體力學的基本定律可知：循環(huán)泵屬平方轉(zhuǎn)矩負載，其n(轉(zhuǎn)速)、Q(流量)、H(壓力)以及P(軸功率)具有如下關系：Qn ，Hn2，Pn3；即，流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比?？梢钥闯龈淖冸姍C轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)循環(huán)泵的流量的方法，要比采用閥門調(diào)節(jié)更為節(jié)能經(jīng)濟，設備運行工況也將得到明顯改善。電機的轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比，即： n =60 f（1-s）p，（式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機轉(zhuǎn)差率、電機磁極對數(shù)）,由于s、p對某一電機是固定值，因此通過改變電動機工作電源頻率能達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。變頻器就是基于上述原理采用交-直-交電源變換技術，集電力電子、微電腦控制等技術于一身的綜合性電氣產(chǎn)品。對循環(huán)水系統(tǒng)進行變頻的改造正是基于以上原理。改造后的系統(tǒng)，將室外溫度、系統(tǒng)供回水壓差及回水溫度作為輸入?yún)?shù)，加上PLC控制器處理下達變頻調(diào)速指令，通過變頻器適時適量地控制循環(huán)泵電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)循環(huán)泵的輸出流量，滿足供暖負荷要求。這就使電機在整個負荷和變化過程當中的能量消耗降到最小程度。再有，應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。綜上所述，不難看出，對供暖換熱系統(tǒng)進行變頻節(jié)能控制能夠帶來巨大的節(jié)能效果。對系統(tǒng)進行變頻控制時，為確保安全可靠性，保證系統(tǒng)可以方便地在工頻和變頻兩種運行狀態(tài)下進行切換。3.1.3閥門換熱站中用到進氣閥、減壓閥、自動排氣閥、止回閥等。自動排氣閥是用來排出管道中蒸汽冷凝水，進氣閥用來調(diào)節(jié)蒸汽量，減壓閥是用來調(diào)節(jié)減少蒸汽的壓力，止回閥是為了防止系統(tǒng)中的水倒流。3.1.4溫度計、壓力表換熱站中采用溫度計、壓力計來測量進氣、出氣、供水、出水溫度和壓力，給其運行調(diào)節(jié)提供依據(jù)。3.2 換熱站工作原理換熱站的工作原理為熱源提供的蒸汽在換熱器中與循環(huán)水相混合，加熱循環(huán)水并經(jīng)供水管道輸送到用戶，再把用過的熱水經(jīng)回水管道通過循環(huán)水泵回收到換熱器中加熱循環(huán)使用，利用供，回水溫差產(chǎn)生的熱量給用戶供暖。該結構采用的調(diào)節(jié)方式是一次側采用量調(diào)節(jié)方式，二次側采用分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)方式，并且采用變頻調(diào)速技術調(diào)節(jié)補水泵對系統(tǒng)進行補水定壓，本系統(tǒng)的控制部分采用PLC可編程控制器進行計算及控制各傳感元件和執(zhí)行器，實現(xiàn)對換熱站的自動調(diào)節(jié)。以熱水和蒸汽為載能體，通過管網(wǎng)為一個區(qū)域的所有熱用戶供熱。通常是由一個和多個供熱設備集中供熱，例如供熱鍋爐、熱電聯(lián)產(chǎn)裝置、溫泉地熱、低溫供熱核反應堆的熱源及工業(yè)余熱等。集中供熱系統(tǒng)是由熱源、熱用戶和熱網(wǎng)三部分組成。熱源負責制備熱媒，熱力網(wǎng)負責熱媒的輸送，熱用戶是指用熱場所。集中供熱系統(tǒng)的熱用戶有供暖、通風、熱水供應、空氣調(diào)節(jié)及生產(chǎn)工藝等用熱系統(tǒng)。由于供熱系統(tǒng)中熱用戶的熱負荷并不是恒定的，如供暖通風熱負荷隨室外氣象條件變化，熱水供應和生產(chǎn)工藝用熱隨使用條件等因素變化。要保證供熱質(zhì)量，滿足各熱用戶要求，并使熱能的制備和輸送合理，就要對供熱系統(tǒng)進行運行調(diào)節(jié)一一也就是供熱調(diào)節(jié)。在城市集中熱水供熱系統(tǒng)中，供暖熱負荷是系統(tǒng)最主要的熱負荷，甚至是唯一的熱負荷。因此，在供熱系統(tǒng)中，通常按照供暖熱負荷隨室外溫度的變化規(guī)律，作為供熱調(diào)節(jié)的依據(jù)。供熱調(diào)節(jié)的目的，在于使供暖用戶的散熱設備的放熱量與用戶熱負荷的變化規(guī)律相適應，以防止供暖熱用戶出現(xiàn)溫度過高或過低。換熱站是供熱網(wǎng)路與熱用戶的連接場所，在其內(nèi)安裝有與用戶連接的有關設備、管道、閥門、儀表和控制裝置。它的作用是根據(jù)熱網(wǎng)工況和不同的條件，采用不同的連接方式，將熱網(wǎng)輸送的熱媒加以調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換，向熱用戶系統(tǒng)分配熱量以滿足用戶的需求;同時還應根據(jù)需要，進行集中計量、檢測供熱熱媒的參數(shù)和數(shù)量。根據(jù)規(guī)模和設置地點不同，換熱站又可分為首站、區(qū)域換熱站、集中換熱站和用戶換熱站。熱力輸配網(wǎng)絡控制的重點是換熱站的控制。換熱站主要完成從供熱一次網(wǎng)到二次網(wǎng)的熱量交換，置換出的二次網(wǎng)的熱水溫度一般在4065之間。換熱站監(jiān)控系統(tǒng)可對熱網(wǎng)的溫度、壓力、流量、開關量等進行信號采集測量、控制、遠傳，實時監(jiān)控一次網(wǎng)、二次網(wǎng)溫度、壓力、流量，循環(huán)泵、補水泵運行狀態(tài)，及水箱液位等各個參數(shù)信息，進而對供熱過程進行有效的監(jiān)測和控制。在供熱期間可按室外溫度調(diào)節(jié)二次網(wǎng)供回水溫度（可手動、自動切換），達到按需供熱，實現(xiàn)氣候補償節(jié)能控制；也可以進行分時分區(qū)節(jié)能控制，實現(xiàn)供熱全網(wǎng)熱量平衡及節(jié)約能源。該方案主要是結合換熱站的實際情況，通過對環(huán)境溫度，二次供水溫度及壓力的監(jiān)測，實現(xiàn)對一次側的供汽量和二次循環(huán)水供水溫度，流量的自動調(diào)節(jié)以適應熱用戶的實際需求，同時對二次管網(wǎng)系統(tǒng)進行自動補水定壓以維持其的穩(wěn)定性。第四章 PLC S7-200的介紹4.1 PLC S7-200的硬件介紹S7-200系列PLC是SIEMENS公司推出的一種小型PLC。它具有緊湊的結構，良好的擴展性能，豐富的指令功能，低廉的價格，極高的可靠性，強大的通信能力等，已成為現(xiàn)代工業(yè)各種小型控制工程的理想控制器。適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200的STEP7Micro/WIM32編程軟件可以方便地在Windows環(huán)境下對PLC編程、調(diào)試、監(jiān)視和控制，使得PLC的編程更加方便、快捷。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價格比。4.2 S7-200PLC系統(tǒng)硬件組成工業(yè)軟件CPU主機人機接口I/O模塊通信模塊功能模塊S7-200系列PLC包含了一個單獨的CPU主機和各種可選擇的擴展模塊，可以十分方便地組成不同模塊的控制器。也可以方便地組成PLC-PLC網(wǎng)絡和PLC-微機網(wǎng)絡，完成規(guī)模更大的工程。S7-200 PLC系統(tǒng)硬件組成如圖4-1所示。 圖4-1 PLC系統(tǒng)組成4.2.1 CPU主機CPU主機又稱作CPU模塊，也稱為本機。CPU主機本身就是一個完整的控制系統(tǒng)，可以單獨完成一定的控制任務。該模塊的主要功能是：采集的輸入信號通過中央處理器運算后，將生成結果傳給輸出裝置，然后輸出點輸出控制信號，驅(qū)動外部負載做出處理。S7-200 PLC主機型號有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226、CPU226XM等。CPU224XP為CPU224的改進型，CPU226XM為CPU226的增強型，功能有所加強。其中CPU224集成了14點輸入/10點輸出，共有24點數(shù)字量I/O。2個模擬量電位器，最大可擴展35AI/AO點；1個RS-485通信/編程口，2路獨立的(20kHz)高速脈沖輸出，具有PID控制器，6路高速計數(shù)器(30 kHz)。它具有強大的模擬量處理能力，因此是S7-200系列產(chǎn)品中使用最多的。CPU226集成了24點輸入/16點輸出，共有40點數(shù)字量I/O。2個模擬量電位器，最多可擴展35AI/AO點；2路獨立的(20kHz)高速脈沖輸出，具有PID控制器，6路高速計數(shù)器(30 kHz)，與CPU224相比，增加了通信口數(shù)量，2個RS-485通信/編程口。它主要用于點數(shù)較多，要求較高的小型或中性控制系統(tǒng)。4.2.2 I/O模塊I/O模塊內(nèi)部沒有電源模塊，不可獨立工作，主要是為CPU主機服務。當CPU主機I/O點數(shù)量不能滿足控制系統(tǒng)的要求時，用戶就可以根據(jù)需要擴展各種I/O模塊，I/O模塊包括輸入模塊EM221、輸出模塊EM222和輸入/輸出模塊EM223等。4.2.3 功能模塊當需要完成某種特殊功能的控制任務時，需要擴展功能模塊。包括模擬量輸入模塊EM231、模擬量輸出模塊EM232、模擬量輸入/輸出模塊EM235、熱電偶溫度測量模塊EM231TC、熱電阻溫度測量模塊EM231RTD等。其中EM231模擬量輸入點數(shù)為4；EM231TC模擬量輸入點數(shù)為4；EM231RTD模擬量輸入點數(shù)為2。4.2.4 通信模塊為組成各種層次的網(wǎng)絡而擴展的專門應用于通信的模塊為通信模塊。4.2.5 人機接口人機接口是近些年PLC發(fā)展進步的重要標志之一，可以充分和方便地利用系統(tǒng)的硬件和軟件資源，通過友好的界面輕松完成各種監(jiān)視、調(diào)整和控制任務。人機操作接口有文本顯示器TD200和TD400，觸摸屏TP170和TP270等。4.2.6 工業(yè)軟件工業(yè)軟件是為了更好地管理和使用上述設備而開發(fā)的與之相配套的程序。4.3 S7-200PLC擴展模塊1.開關量I/0擴展模塊S7-200系列CPU主機提供一定數(shù)量的數(shù)字量I/O點，但在主機I/O點數(shù)不夠的情況下，就必須使用擴展模塊來增加I/O點。開關量I/O擴展模塊一般也叫數(shù)字量擴展模塊。開關量輸入模塊是用來接收現(xiàn)場輸入設備的開關信號，將信號轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)不接受的低電壓信號，并實現(xiàn)PLC內(nèi)、外信號的電氣隔離。分組式的開關量輸入模塊是將輸入點分成若干組，每一組有一個公共端，各組之間是分隔的。開關量輸出模塊是將PLC內(nèi)部低電壓信號轉(zhuǎn)換成驅(qū)動外部輸出設備的開關信號，并實現(xiàn)PLC內(nèi)外信號的電氣隔離。典型的開關量輸入模塊和輸出模塊種類：（1）輸入擴展模塊EM221有2種：8點DC輸入和8點AC輸出。（2）輸出擴展模塊EM222有3種：8點DC晶體管輸出、8點AC輸出和8點繼電器輸出。（3）輸入/輸出混合擴展模塊EM223有6種：分別是4點（8點、16點）DC輸入/4點（8點、16點）輸出和4點（8點、16點）DC輸入/4點（8點、16點）繼電器輸出。對于開關量輸入模塊，在選擇時沒有特殊要求，輸入端電源也可用PLC自帶的傳感器電源。S7-200PLC的開關量輸出模塊主要有繼電器輸出和晶體管輸出兩種方式。2.模擬量擴展模塊在工業(yè)控制中，壓力、溫度、流量和轉(zhuǎn)速等輸入量是模擬量，變頻器、電動調(diào)節(jié)閥和晶閘管調(diào)速裝置等設備要求輸出模擬量信號進行控制。CPU主機一般只有數(shù)字量I/O接口，或者是僅具有少量的模擬量接口，所以就要進行模擬量輸入和輸出模塊的擴展才能滿足控制要求。模擬量擴展模塊的主要功能是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并與PLC內(nèi)部總線相連，也有電氣隔離功能。模擬量輸入（A/D）模塊是將現(xiàn)場由傳感器檢測產(chǎn)生的連續(xù)的模擬量信號轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部可接受的數(shù)字量；模擬量輸出（D/A）模塊是將PLC內(nèi)部的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量信號輸出。模擬量擴展模塊類型如下：（1）模擬量輸入擴展（2）模擬量輸出擴展模塊EM232（3）模擬量輸入/輸出混合模塊EM235EM232的模擬量輸出點數(shù)為2，信號輸出范圍：-10V到+10V，電流0到20MA。EM231模擬量輸入點數(shù)為4，輸出阻抗大于等于10M，最大輸入電壓30V DC，最大輸入電流32MA。模擬量擴展模塊的主要技術參數(shù)參見附錄表A-4，A-5，A-6。典型模擬量擴展模塊的量程為-10V到+10V，-5到+5V和4到20MA等，可根據(jù)實際需要選用不同等級，同時還應考慮其分辨率和轉(zhuǎn)換精度等因素。特模擬量輸入模塊可用來直接接收傳感器信號。3.溫度測量模塊溫度測量模塊專門為檢測溫度而設計。溫度測量模塊有熱電偶溫度測量模塊EN231 TC和熱電阻溫度測量模塊EM231RTD。4.為控制模塊EM235位控模塊是S7-200的特殊功能模塊，它能夠產(chǎn)生脈沖串用于步進電機或伺服電動機的速度和位置開環(huán)控制。它與S7-200通過擴展的I/O總線通信，它帶有8個數(shù)字輸出。5.通信模塊（1）PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線通信模塊 EM277是PROFIBUS-DP的現(xiàn)場總線通信模塊，用來將CPU224連接到PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡。EM277通過RS-485通信接口連接到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡的其他設備上。（2）AS-i接口模塊 AS-i接口模塊CP243-2是專門用于現(xiàn)場執(zhí)行器和傳感器接口的模塊，并且有集成模擬量處理和傳送單元。（3）工業(yè)以太網(wǎng)模塊 工業(yè)以太網(wǎng)根據(jù)國際標準IEE802.3定義。S7-200PLC所應用的工業(yè)以太網(wǎng)模塊主要有CP243-1和CP243-1 IT兩種。（4）調(diào)制解調(diào)器模塊調(diào)制解調(diào)器模塊EM241，可連接到模擬電話線，應用Modbus主/從協(xié)議實現(xiàn)S7-200PLC主機與遠程PC機進行通信，即實現(xiàn)PLC-TO-PC通信。第五章 控制系統(tǒng)總體方案設計5.1 換熱站的控制調(diào)節(jié)換熱站與熱用戶的連接方式為間接連接方式間接連接方式是指熱網(wǎng)循環(huán)水與熱用戶內(nèi)部采暖系統(tǒng)循環(huán)水相互隔絕，而其間只限于熱量交換的連接形式。從運行角度來分析，直接連接系統(tǒng)的水力工況和熱力工況受到熱網(wǎng)運行工況的影響，故又稱為局部系統(tǒng)與熱力網(wǎng)的關聯(lián)式連接。即一次供水和二次供水分開，如圖所示:換熱站系統(tǒng)對溫度的調(diào)節(jié)控制就是要保證二次側有一個恒定的與設定供水溫度，控制元件是換熱器一次側的電動調(diào)節(jié)閥，該閥門控制換熱器的一次供汽量。將預設定溫度作為給定值，測量溫度值作為反饋值，法門的開度作為輸出值，保證二次供水溫度的恒定。當換熱器的二次供水溫度偏離設定值時，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)定在設定值附近。為了保質(zhì)供熱質(zhì)量，采用了如圖所示二次供水溫度自控系統(tǒng)對工況進行分段質(zhì)調(diào)節(jié)。主要功能是通過對二次供水系統(tǒng)的溫度檢測、分析，結合外界干擾因素，算出最佳供水溫度，通過調(diào)節(jié)一次管網(wǎng)流量，使二次供水溫度接近設定值?？刂圃菗Q熱器一次水出口的控制閥，該閥門控制換熱器的一次供水流量。將預設定溫度作為給定值，測量溫度值作為么饋值，閥門開度作為輸出值，采用PID算法，保證二次供水溫度的恒定。如下圖所示：根據(jù)傳感器檢測到的實際溫度值，使用下面介紹的關系模型，計算出相應的二次供水溫度設定值，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定值相符。控制原理如圖：二次回水溫度PLC控制器二次供水溫度控制對象換熱器一次回水控制閥二次供水溫度設定值溫度傳感器5.3 循環(huán)水流量的調(diào)節(jié)控制由于供暖系統(tǒng)供暖的熱負荷是隨著室外溫度等因素的變化而不斷的變化，當室外溫度偏高時，供暖熱負荷就應偏低，如果還按著設計熱負荷進行供暖就會造成不必要的浪費。針對上面出現(xiàn)不必要浪費的情況，對換熱站二次側采用分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)方式。把室外溫度分成二個階段，當室外溫度高于某個設定值時，循環(huán)水泵工頻運行；當室外溫度低于設定值時，循環(huán)水泵以0.75工頻運行，此時系統(tǒng)的循環(huán)水量也就相應的減小。分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)方式的控制原理如圖12所示，調(diào)節(jié)器變頻器循環(huán)水泵。管網(wǎng)壓力水泵變頻器調(diào)節(jié)器PLC壓力傳感器5.4 壓力的調(diào)節(jié)控制壓力傳感器將用戶管網(wǎng)水壓信號變成電信號(4一20mA)，送給變頻器內(nèi)部PID控制器，PID控制器根據(jù)壓力設定值與實際檢測值進行 PID運算，并給出信號控制水泵電動機的電壓和頻率。當用水量較少時，1#泵在變頻器控制下變頻運行。如需水量加大，壓力傳感器