??? 摘 要： 設(shè)計(jì)了具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能" title="監(jiān)控功能">監(jiān)控功能的換熱站自動(dòng)控制系統(tǒng)，主要由S7-200PLC、AL809智能PID調(diào)節(jié)器、ACS140變頻器、SINAUT MD 720-3 GPRS通訊模塊組成。詳細(xì)介紹了循環(huán)泵和補(bǔ)水泵的變頻控制方案及具體實(shí)施，二次供水溫度自動(dòng)控制回路與通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)。
??? 關(guān)鍵詞： 換熱站? S7-200PLC? 變頻調(diào)速" title="變頻調(diào)速">變頻調(diào)速? PID調(diào)節(jié)器? GPRS

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??? 換熱站是集中供熱" title="集中供熱">集中供熱系統(tǒng)供熱網(wǎng)路與熱用戶的連接場(chǎng)所，是熱源與熱用戶之間的一個(gè)中間環(huán)節(jié)，其供熱品質(zhì)的好壞對(duì)改善熱網(wǎng)熱力工況，提高供熱質(zhì)量起著重要作用。
??? 本文設(shè)計(jì)針對(duì)某生活小區(qū)換熱站。目前此換熱站存在以下缺點(diǎn)：①耗能嚴(yán)重。循環(huán)泵及補(bǔ)水泵輸出流量無法隨著供暖負(fù)荷和管網(wǎng)壓力的變化而變化。②二次供水溫度難以控制。③數(shù)據(jù)傳輸和通信速率慢、傳輸不穩(wěn)定、運(yùn)行成本高。
??? 本論文針對(duì)換熱站存在的以上缺點(diǎn)，作以下設(shè)計(jì)：①基于可編程控制器PLC的變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)^[1]。②采用智能PID算法，保證二次供水溫度的恒定。③運(yùn)用GPRS(general packet radio service)通用分組無線業(yè)務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸^[2]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

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1 基于PLC的變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
??? 系統(tǒng)采用質(zhì)量雙調(diào)的控制方式，即同時(shí)控制換熱站的循環(huán)泵的流量和二次供水設(shè)定溫度，其中量調(diào)的節(jié)能效果最為顯著。此外系統(tǒng)運(yùn)行過程中，管網(wǎng)失水是不可避免的，因此需要控制補(bǔ)水泵的補(bǔ)水量以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。原有換熱站水泵電機(jī)直接接市電一直以工頻" title="工頻">工頻運(yùn)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^[3]。
??? 通過變頻器適時(shí)適量地控制循環(huán)泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)循環(huán)泵的輸出流量, 滿足供暖負(fù)荷要求，使電機(jī)在整個(gè)負(fù)荷和變化過程當(dāng)中的能量消耗降到最小程度。應(yīng)用變頻器還能提高系統(tǒng)的功率因數(shù), 減少電機(jī)的無功損耗, 并提高供電效率和供電質(zhì)量。本系統(tǒng)采用PLC控制泵的運(yùn)行邏輯并采用變頻器控制泵的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)這一目的。一臺(tái)變頻器拖動(dòng)三臺(tái)循環(huán)泵（兩運(yùn)一備），變頻器采用ABB ACS140。其原理圖如圖2所示。
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??? 首先第一臺(tái)泵變頻啟動(dòng)，如果負(fù)荷不夠則第一臺(tái)泵轉(zhuǎn)速加大（需變頻器），如果達(dá)到100％時(shí)還不滿足要求，則啟動(dòng)第二臺(tái)泵使之在變頻下運(yùn)行，同時(shí)第一臺(tái)泵切換到工頻下運(yùn)行。如果達(dá)到了要求則第二臺(tái)泵停止運(yùn)行，則第一臺(tái)泵變頻運(yùn)行。在運(yùn)行泵出現(xiàn)故障時(shí)切換到第三臺(tái)備用泵。如果泵反饋信號(hào)不等于輸出信號(hào)或者任意泵報(bào)警，則產(chǎn)生“維護(hù)報(bào)警”信號(hào)。如果所有泵均報(bào)警，則產(chǎn)生“無可用泵”信號(hào)。根據(jù)運(yùn)行時(shí)間自動(dòng)切換" title="自動(dòng)切換">自動(dòng)切換各循環(huán)泵。同時(shí)也提供低水壓保護(hù)和連鎖功能。
??? 對(duì)于循環(huán)泵，該系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種變頻功能和一種工頻功能。在變頻模式下, 手動(dòng)時(shí), 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。自動(dòng)時(shí), 變頻器和PLC 控制器進(jìn)行通信, 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(hào)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(jī)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。在變頻器出故障時(shí), 可手動(dòng)切換到工頻運(yùn)行, 保證繼續(xù)供熱不停產(chǎn)。
??? PLC選用西門子S7-200系列CPU226型（24輸入/16繼電器輸出），同時(shí)還加上一個(gè)擴(kuò)展模塊EM235作為模擬量輸入/輸出單元。其控制電路如圖3所示。其中交流接觸器KM1、KM3、KM5 分別控制1# 泵、2# 泵、3# 泵的變頻運(yùn)行, 而KM2、KM4、KM6 則分別控制1# 泵、2# 泵、3#泵的工頻運(yùn)行, KM7 控制變頻器工作。SA1、SA2、SA3 分別為3 臺(tái)循環(huán)泵的停止開關(guān)，SA4、SA5、SA6 分別為3臺(tái)循環(huán)泵的手動(dòng)起停操作開關(guān)。SL 為溫度下限開關(guān), SH 為溫度上限開關(guān)。FR1、FR2、FR3 分別為3臺(tái)循環(huán)泵的過載保護(hù),FA為變頻器保護(hù)。

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??? 循環(huán)泵PLC控制程序流程圖如圖4所示。

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??? PLC的軟件程序主要完成以下功能：(1)所有泵的啟動(dòng)都采用變頻啟動(dòng)且更換啟動(dòng)泵。(2)自動(dòng)加泵減泵功能，在一臺(tái)泵工作時(shí)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(dòng)切換本泵為工頻運(yùn)行，投入第二臺(tái)泵為變頻運(yùn)行；在兩臺(tái)泵工作時(shí)，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(yùn)行。(3)系統(tǒng)設(shè)置了熱備功能，在兩臺(tái)泵都無故障的前提下，一臺(tái)單獨(dú)運(yùn)行10小時(shí)后，將自動(dòng)切換另一臺(tái)泵。(4)故障自切換功能保證了在有備用泵的前提下，在運(yùn)行泵出現(xiàn)故障時(shí)可以自動(dòng)切換到備用泵，從而防止出現(xiàn)停水事故和停泵水錘對(duì)管網(wǎng)及泵站造成破壞。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(bào)警及變頻器、電機(jī)故障報(bào)警等功能。
??? 補(bǔ)水系統(tǒng)采用變頻調(diào)速技術(shù)，利用恒壓供水的原理定點(diǎn)補(bǔ)水。系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，由S7-200PLC及壓力傳感器等組成。壓力傳感器安裝于二次回水管網(wǎng)中，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)壓力作為反饋信號(hào)傳送給PLC，與給定壓力值相比較，如低于此值則加大補(bǔ)水流量，反之，則減少流量，以保證系統(tǒng)壓力恒定。具體控制算法采用PID控制，在PLC里通過編程實(shí)現(xiàn)，此方法的定壓誤差非常小，節(jié)約了電能，且減少了電機(jī)起動(dòng)時(shí)大電流對(duì)電機(jī)定子繞組電動(dòng)力的作用。原理圖如圖5所示。

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2 換熱器二次供水溫度調(diào)節(jié)控制回路
??? 為了做到即經(jīng)濟(jì)運(yùn)行又保證供熱質(zhì)量，采用了如圖6所示的二次供水溫度調(diào)節(jié)控制回路對(duì)供熱工況進(jìn)行分階段調(diào)節(jié)。其主要功能是通過對(duì)各二次供熱系統(tǒng)的溫度檢測(cè)、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。控制元件是換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(yù)設(shè)定溫度作為給定值，測(cè)量溫度值作為反饋值，閥門的開度作為輸出值，采用智能PID算法^[4]，保證二次供水溫度的恒定。

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??? 控制回路中的溫度智能PID調(diào)節(jié)器采用AL809智能PID調(diào)節(jié)器，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。具有功能強(qiáng)大，組態(tài)靈活、適應(yīng)性廣的特點(diǎn)，適合溫度的精確控制。輸出為開關(guān)動(dòng)作，可直接控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥電機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)。溫度檢測(cè)到的信號(hào)和設(shè)定值信號(hào)在AL809調(diào)節(jié)器中通過PID整定的輸出值控制一次水出口的控制閥，進(jìn)而調(diào)節(jié)二次水的溫度。
??? 每個(gè)熱力站均安裝了室外溫度傳感器，預(yù)設(shè)定溫度根據(jù)室外溫度計(jì)算得出，通過公式計(jì)算出當(dāng)前的預(yù)設(shè)定溫度，這個(gè)設(shè)定溫度是隨著室外溫度的變化而改變的。如圖7所示。

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3 GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信
??? 為了掌握供熱流量分配情況、小區(qū)用熱總量和調(diào)節(jié)用戶所用熱量并進(jìn)行熱能資源優(yōu)化、調(diào)度和自動(dòng)化管理，系統(tǒng)需要對(duì)換熱站運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，力求做到換熱站無人值守。監(jiān)測(cè)要求：(1)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)。在換熱站熱交換生產(chǎn)過程中，存在大量的物理量，如壓力、溫度、流量等模擬量參數(shù)。需要通過PLC 對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理，并且為遠(yuǎn)程傳送做好準(zhǔn)備。(2)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。要求在遠(yuǎn)程可監(jiān)測(cè)到循環(huán)泵、補(bǔ)水泵的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行或者備用的狀態(tài)、變頻器輸出的頻率或者電流、調(diào)節(jié)閥的閥位、電磁閥的動(dòng)作情況等。(3)換熱站電源以及防火、防盜的監(jiān)視。無人值守?fù)Q熱站對(duì)防火、防盜提出要求。在換熱站內(nèi)安裝有火災(zāi)報(bào)警器和防盜報(bào)警器，報(bào)警器的報(bào)警信號(hào)應(yīng)當(dāng)傳輸?shù)娇刂浦行摹?BR>??? 傳輸以上檢測(cè)信號(hào)到控制中心就要選擇合適的通信手段，這是決定系統(tǒng)性價(jià)比的關(guān)鍵因素。以前的通信手段傳輸速率慢、傳輸不穩(wěn)定、運(yùn)行成本高，不能滿足集中供熱系統(tǒng)監(jiān)控信息的實(shí)時(shí)傳輸要求。GPRS技術(shù)的出現(xiàn)為集中供熱系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集提供了新的通信手段。GPRS通用分組無線業(yè)務(wù)是在原有的基于電路交換方式的GSM網(wǎng)絡(luò)上增加了SGSN和GGSN等功能實(shí)體，為GSM用戶提供分組交換的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS無線傳輸網(wǎng)絡(luò)可實(shí)時(shí)在線、時(shí)延小，能夠同時(shí)實(shí)時(shí)收取、處理多個(gè)/所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的各種數(shù)據(jù)，無需輪巡等特性。GPRS業(yè)務(wù)傳輸速率高、網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣、性價(jià)比高。
??? 本系統(tǒng)采用GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，結(jié)構(gòu)如圖8所示。
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??? 系統(tǒng)采用了S7-200系列PLC專用的GRPS無線數(shù)據(jù)通訊模塊SINAUT MD 720-3。由SINAUT MD720-3 GPRS調(diào)制解調(diào)器、天線和GPRS通訊管理軟件SINAUT MICRO SC (集成OPC Server)等組成，實(shí)現(xiàn)S7-200 PLC的GPRS(GSM移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò))無線連接。S7-200PLC通過傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理，然后把現(xiàn)場(chǎng)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)，再由GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到Internet網(wǎng)上，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心就可以通過聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)訪問數(shù)據(jù)。
??? 由于僅僅支出GPRS 的流量通信費(fèi)用，所以運(yùn)行費(fèi)用極低。經(jīng)實(shí)際測(cè)算，單套供熱系統(tǒng)每次大約有十幾字節(jié)的數(shù)據(jù)量，根據(jù)換熱站參數(shù)變化特點(diǎn)，將GPRS終端的數(shù)據(jù)更新周期設(shè)定為10min，月費(fèi)用僅為幾元。
??? 本文設(shè)計(jì)了具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的換熱站自動(dòng)控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用S7-200 CPU226PLC和ABB ACS140變頻器調(diào)節(jié)循環(huán)泵或補(bǔ)水泵的輸出流量, 達(dá)到了調(diào)節(jié)溫度和恒定壓力的目的，提高了控制精度，溫度控制精度小于3％，壓力控制精度在1％以內(nèi)，更重要的是節(jié)約了能源，降低了供熱設(shè)施的運(yùn)行費(fèi)，節(jié)電達(dá)到35％以上；采用由AL809智能PID調(diào)節(jié)器組成的二次供水溫度調(diào)節(jié)控制回路，通過智能PID算法使二次供水溫度達(dá)到設(shè)定的溫度，使換熱站做到即經(jīng)濟(jì)運(yùn)行又保證供熱質(zhì)量，達(dá)到最佳工況；運(yùn)用SINAUT MD 720-3 GPRS模塊無線傳輸數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)快速地將換熱站現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)供熱運(yùn)行的動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)視，實(shí)時(shí)診斷供熱運(yùn)行的隱患，使供熱安全、正常和節(jié)能地運(yùn)行，做到了通訊費(fèi)用的減少與換熱站的無人值守。
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