全自动无人值守换热机组和热网监控系统
全自动无人值守换热机组和热网监控系统
邯郸市热力总公司
【摘 要】本文对全自动无人值守换热机组和热网监控系统的原理和实现进行了探讨，并结合工程实例对换热机组的自动控制部分和热网监控系统的设计进行了说明，介绍了现场调试的一些经验。
【关键词】集中供热 换热机组 热网监控
一、概述
当今能源问题已经成为全世界普遍关注的热点话题，各国对能源都普遍关注。我国建筑能耗与发达国家相比明显过高，因此采用新型供热方式、设备和系统，节能减排，是解决我国相对能源紧张和环境污染的有效途径。目前供热已成为一种特殊形式的商品（服务），供热的成本关系到热力公司的效益，供热的品质关系到广大用户的利益，如何通过技术手段达到既降低能耗又为用户提供满足标准的服务是我们要探讨的课题。
在国家大力倡导下城镇供热方式已发生了很大地变化，由原来各单位分散的锅炉供热，发展为一个城市由一个或几个热电厂提供热源，市内各小区由换热站集中供热形式，从热源的角度来看降低了燃煤、减少了污染。
全自动无人值守换热机组是新型的换热设备，一般采用高效的板式换热器，设备采用计算机、触摸屏、变频器、可编程控制器、现场总线等现代先进技术，实现了智能化全自动控制。可编程控制器通过对一次网电动调节阀的调节，二次网循环泵、补水泵变频器的控制，实现了多种供热模式的自动运行。供热的调节模式有改变二次网供水温度的质调节，改变二次网供水流量的量调节，改变温度和流量的联合调节几种模式。通过调节一次网电动调节阀改变二次网供水温度，供水温度可根据室外温度自动调节再复合时间修正，也可设置固定的数值。通过调节循环泵变频器改变二次网供水流量，变频器可由供水压力设置也可由供回水压差设置。换热机组的全自动控制提高了热量的利用率，提高了供热质量，通过变频器的使用也节省了电能。
热网的集中监控是集中供热发展的必然趋势，是提高供热质量和热量利用效率的重要手段，通过热网集中监控系统的实施也可达到节能的目的。当对某个换热站热能供应充分时，通过机组的现场自动控制系统，可以达到较理想的控制效果。当供热负荷增加，热源可能不能供给用户需要的全部热量，区域一次热网同时存在水力失调时，热量会被热源近端的用户消耗掉，热源远端的用户得到的热量急剧减少，室温大幅度下降，使用户难以接受。通过热网集中监控系统，可以适当降低热源近端用户获取的热量，改善热源远端用户的供热质量。
热网集中监控系统由三个层次设备构成，最底层是现场控制系统，实现换热机组的本地控制；中间层是通信系统，用于现场控制系统和中央控制室的通信；顶层
为中央控制室，是热网的监控中心，用于整个热网的状态监视和控制，可以显示系统的运行参数，并能对热网进行控制。热网集中监控系统如图一所示。
二、现场控制系统的基本原理
我公司生产的全自动无人值守换热机组现场控制系统基本原理是：现场控制系统以西门子供热行业专用可编程控制器ACX32为核心，在换热器的一次、二次侧分别安装了压力传感器和温度传感器，并在蓄水箱里安装了液位传感器，室外安装了温度传感器。将所有压力、温度和液位信号都输入到电控柜的控制器，控制器将检测到的数据通过串行通信口送入计算机（触摸屏），实现现场的数据监控，并可以加装通信卡实现对换热站的远程监控。
控制器通过采集二次侧回水压力对补水泵起停进行控制，实现变频定压；根据二次侧供回水压力或二次供回水压差来控制循环泵变频运行；通过控制一次侧供水管路中的电动调节阀的开度，来控制二次供水的温度值。可根据室外温度与供水温度的经验曲线调节供水温度。现场控制系统的原理图如图二所示。
三、通信系统
通信系统是多个换热站和监控中心数据传输的通道，根据集中供热工程对监控系统的技术要求和投资规模、当地通信基础设施情况，以及通信费用情况综合考虑选择通信方式。通信方式可分为有线专网、电话网、宽带网、GPRS网，下面就这几种通信方式进行分析比较。 1． 有线专网
1） 敷设专用通信光缆，是稳定可靠的通信方式，通信速率高，通信效果好。 2） 前期一次性投入大，没有通信资费，但维护维修费用也较多，在资金不是很雄厚的情况下一般不采用。 2． 电话网
1） 有线通信，网络覆盖面广，信号稳定，由电信部门负责维护。 2） 进行数据通信时要通过调制解调器拨号建立连接，点对点通信，通信速率低，通信资费和在线时间有关。 3． 宽带网
1） ADSL宽带，有线通信，网络覆盖面广，信号稳定，由电信部门负责维护。 2） 永远在线：用户可随时与网络保持联系。
3） 传输速率高：采用了分组交换技术，数据传输率高。 4． GPRS网
1） 覆盖面广：是在GSM网络上增加的数据通信业务。 2） 传输速率高：数据传输速率最高可达到171.2kb/s。 3） 永远在线：用户可随时与网络保持联系。
4） 按流量计费：按照用户收发数据包的数量来收费，没有流量传输不收费。 根据目前通信网络的应用情况看，有线网络ADSL宽带网应用的普遍，无线网络GPRS网络应用的较广泛。
四、热网监控中心
热网监控中心通过换热机组现场控制系统对换热站参数进行实时的采集，综合分析热网工况，根据热网运行工况对热网进行优化调度，向换热机组发出控制命令，分配各换热机组所需的热量，平衡全网供热需求，保证全网安全经济运行。同时对采集的参数存储、打印。
热网监控中心硬件配置有工程师站、数据库服务器、大屏幕投影仪、打印机等设备。软件配置有工控组态软件，如西门子热网专用组态软件DESIGO INSIGHT、
工业组态软件Win CC、国产软件组态王等，这些软件所实现的功能基本相同。其基本功能有：
1.热网系统画面的组态：可以在系统画面上实时显示热网系统的参数，并可通过系统画面直接操作控制各控制元素。
2.趋势图显示：组态软件可记录各参数的值，并以趋势图的形式显示出来。 3.报警设置：可设置监控参数报警的上下限，当参数超限时触发报警信号。
五、全自动无人值守换热机组的实现
以供暖面积5万平米的全自动无人值守换热机组为例说明，该机组循环泵和补水泵采用的是上海新沪GP160-32-22-4NY和GP6.3-32-2.2-2NY，控制部分的设备配置如下：
控制器：西门子ACX32.000/ALG 触摸屏：西门子TP177B 供水温度传感器：西门子QAE2120.010，温度测量范围-30~ +130℃ 室外温度传感器：西门子QAC22 液位变送器：昆仑海岸 量程0～3m，输出4～20mA 压力传感器：丹佛斯MBS3000 060G1125 压力测量范围 0-10Bar 电动调节阀：西门子VVF45.91 电动执行器：西门子SKC62 变频器：EV2000-4T0300P，额定功率30kW，用于循环泵；EV1000-4T0037P，额定功率3.7kW，用于补水泵
1、控制器
ACX32控制器是西门子专为供热行业开发的专用控制器，该控制器稳定可靠，采用图形化的编程语言，编程灵活。与该控制器配套的SAPRO编程软件和SCOPE调试软件具有现场仿真在线调试功能，为工程实施人员现场调试提供了极大的方便。
在本例中，循环泵、补水泵的变频和工频启动，泄压阀的开启关闭，用控制器的DO端子，循环泵和补水泵的运行状态和故障信号送入控制器的DI，循环泵、补水泵的频率给定和电动执行器的给定用AO口来输出，其余频率反馈信号，一二次供回水温度，供回水压力信号，液位，室外温度信号都送入了控制器的通用口UI。连接图如图三。
2、变频器
通过变频器适时适量地控制循环泵的转速可以调节循环泵的输出流量，满足供暖负荷要求，使电机在整个负荷变化过程中的能量消耗降到最小程度。本例中使用的是爱默生EV2000/1000系列变频器，该变频器与控制器和外围信号的连接图如图四。
图中，R、S、T端通过真空断路器连接至三相电源的进线端，U、V、W端接循环泵和补水泵，COM端是变频器的公共端，FWD是正转运行命令控制端子，用接触器的一个辅助常开触点控制，X是多功能输入端，通过对变频器设置，可方便的对X1~X8端子的功能进行定义。AO是变频器的频率反馈端子，将其与控制器相连，可实时把水泵的运行频率反馈给控制器，而CCI端是频率给定端子，控制器根据当前压力将适当的频率送入变频器。各路信号是选用电压信号还是电流信号，可通过控制板上的跳线方便的选择。另外，变频器本身也可对起停方式，加减速时间，运行频率上下限等一系列参数进行设置，还可实现过程闭环控制，功能十分强大，用户使用起来方便灵活。
3、触摸屏
触摸屏是一种很直观的操作设备，只要用手触摸屏幕上的图形对象，便会执行相应的操作，使现场操作变的简单，直接，不但节省空间而且坚固耐用，所以成为了人机界面发展的主流方向，本例中使用的是西门子公司的TP177B触摸屏，通过运用WinCC flexible组态软件，可以方便的对其进行组态。
4、控制器与触摸屏的通信
TP177B通过RS485/RS422 与ACX32控制器进行通信，ACX32的通信方式既可采用扩展通信卡，也可通过控制器本身的RS485或RS232接口进行通信，本例中采用的是控制器自带的RS485接口，通信协议为Modbus协议，采用的模式为RTU。控制器作为从站，TP177B作为主站，在SAPRO的应用程序中只需要使用两个功能模块，使用非常方便。
5、机组的现场调试与运行
机组现场控制系统的调试主要是对几种核心控制环节的调试，如：电动调节阀、循环泵、补水泵；另外就是对一些关键的保护措施的调试，例如二次供回水的压力保护，水箱液位的低限保护。利用泄压阀来实现二次回水的压力保护，当回水压力过高（超过设定值）时，控制器通过数字输出继电器将其开启，达到泄压的目的，避免管网因压力过高出现问题。水箱液位的低限保护是将液位传感器的液位信号送入控制器，与设定的低限液位比较，当比设定值还小时，启动自保护，将补水泵的起停信号关闭，报警指示灯亮，从而避免了补水泵的空载运行。 循环泵、补水泵、电动调节阀三个闭环调节回路都采用了PID的控制算法，PID控制即比例，积分，微分控制，PID控制器的参数整定对控制系统的稳定性影响很大，需要根据现场的情况认真整定。P值过大会出现振幅超调，系统达到稳定时间长；I大了响应速度慢，反之则快；一般D设置都比较小，而且对系统影响比较小。参数整定的合适与否，直接关系到系统运行的稳定性和系统的响应速度，在实际的应用中，我们采用工程整定法，针对电动调节阀是对温度的控制，根据经验选定P的值在5-10%之间；I在180-240s之间；D在30以下。现场通过观察电动调节阀的动作，适当在此范围内进行调整。循环泵和补水泵的控制同样采用PID控制，变频器将频率信号反馈给控制器，控制器再根据二次供回水压差将实时的频率信号送出，由于控制器控制的是压力信号，根据经验选择P在30-60%之间；I在30-90s之间；D在30以下。
在实际控制系统中，由于变频器的引入，我们不得不考虑到高次谐波的干扰，当不采取任何措施时，电动调节阀会受到很大干扰，运行不正常，无法实现定温运行更无法固定开度，同时电阻型的温度传感器传回的数值也与实际不符。所以在控制系统的设计中，我们采取了一系列的抗干扰措施。
1） 变频器的PE端要与控制柜及电机的外壳相连，要可靠接地；
2） 在变频器交流输出侧安装电抗器，它能补偿长线分布电容的影响，并能抑制输出谐波电流，提高输出高频阻抗，起到保护变频器，减小设备噪声的作用； 3） 所有传感器的信号线都采用屏蔽线，并在控制柜里将所有的屏蔽层一同接地； 4） 电机的电源线和传感器的控制线要分开布置，二者必须分别放置在不同的金属管道或者金属软管内部，避免平行走线，这是因为谐波在传导过程中，与此电源线平行敷设的导线又会产生电磁耦合，形成感应干扰； 5） 传感器尽量采用电流型，电流信号在传输过程中比电压信号的抗干扰能力强。
六、结语
全自动无人值守换热机组是新型高效的换热设备，它能节省能源，提高劳动生产
率，降低工人的劳动强度，选型安装方便，占地面积小，具有突出的优点，已在集中供暖中得到了广泛的应用。热网集中监控系统是集中供热发展到一定阶段的必然产物，代表着集中供热的发展方向，它在提高热能的利用率，平衡热网方面有着不可替代的作用。
