宇电仪表在热力站控制中的应用———宇电仪表在热力站控制中的应

　
  一、前言
　　在城市集中供热系统中，热力站作为热网系统面对系统热用户最后一级调节单元，热力站的控制效果直接决定热用户的采暖效果。在间连热网热力站中，二次网供回水压力、温度及流量均是影响供热效果的重要因素，而二次网各供参数的调节主要是依靠对二次网循环泵及补水泵的控制。传统的热力站控制中，循环泵与补水泵一般都采用工频泵，系统在设计选型时已经决定了系统二次网的主要参数，但是相对的，系统的适应性、扩展性及各参数的精确调整均受到极大限制。目前在一些城市中开始逐步对集中供热热网的各个热力站进行自动控制化改造。对于原有的热力站，统一增加智能控制仪表、及变频等设备；对于新建的热力站，在设计时即在工艺系统基础上引入自动控制设备。自动控制系统将热力站的控制精确化，结合热网中控室全网平衡系统及通讯网络系统，进行全网均匀调节，达到较好的控制效果。

  二、系统控制方案及仪表选型
　　1、系统控制方案：在集中供热工程中由于各用户的建筑面积、暖气片性能及房屋保温质量各不相同，很难确定一组典型的室内温度作为直接被控量，而供、回水的平均温度从整体上反映了各用户暖气片的平均温度，因此一般的供热系统都是根据室外环境温度及不同的供热时段来控制供、回水平均温度的方法来间接控制用户室温。
       各热力站从控制中心获取对应的二次网供回水平均温度，站内系统将独立控制回路分为二次网供回水控制回路和一次网流量控制回路，根据平均温度的偏差确定一次网流量的设定值，然后调节阀门开度使流量达到设定值。站内的控制系统还根据热力站的实际情况对二次网循环泵及补水泵进行调速，实现对系统总流量和温度的调节。使循环水泵按照实际负荷输出功率，减少不必要的电能损失。这样可以及时地把流量、扬程调整到需要的数值上，消除多余的电能消耗，从而达到良好的节能效果。通常热力系统会设计两台变频泵，这不仅是为了系统备用，也是为了防止系统超调。如果负荷不够，则泵的转速加大，达到100%时还不满足要求，则启动第二台泵。同时系统还可以根据运行时间自动切换各循环泵，也提供低水压保护和连锁功能。控制系统的二网供、回水压力是热网安全运行的重要参数。供水压力过高可能造成热水管道及用户暖气片的破裂；供、回水压力过低，使得部分热用户无法的到足够热量。恒压控制的最佳方案是对补水泵进行变频调速控制，但考虑此处对压力的稳定性要求并不高，只要压力不超出某一范围即可，所以也可以采用开关补水控制方案。
2、仪表选型：根据要求及本系统的控制对象仪表选择如下：显示仪表选择AI-701AI4S，温差测量选择AI-704MAJ0J0X3S4，控制仪表选择AI-808AI4X3S4，人机界面选择AI-2057触摸数字无纸记录仪。

  三、热力站控制系统介绍
1、系统构成
　　间连型热力站自动控制系统主要控制回路为：一次网流量控制回路、二次网循环控制回路、二次网定压回路。在热力站自动控制系统中，一次网流量控制回路主要通过调节一次回水调节阀来实现。二次网的调节回路则是通过调节二次网循环泵及补水泵转速来实现。一次网的控制指令主要由热网调度中心根据全网平衡算法下发，而二次网循环泵及补水泵变频器转速则由站内系统依据各热力站所带热网的实际情况计算得出。
2、主要控制回路
      一网回路控制：热力站的一次网回路通过调节一次网回路上的电动调节阀，来调节流过热力站的一次热水的流量，控制目的为提供热力站必须的供暖热量，主要是热负荷控制。在全网控制系统中，全网控制中心根据目前室外温度情况，参考热源的运行情况及各热力站反馈的二次网运行数据，计算出各热力站二次网目标控制温度（一次网回路控制中主要的参考对象为热力站一、二次网供回水温度）。热力站系统根据全网控制中心下发的指令，由人机界面来设定并由AI-808控制器输出信号来控制一次网流量调节阀，从而实现全热网的热资源均匀分配。
       二次网循环泵控制：热力站系统二次网循环泵是通过AI-808控制器调节变频器输出频率来调速。传统热力站系统循环泵通常采用工频泵，循环泵选定后，热力站二次网的流量无法进行调整，从而造成热力站系统无法根据室外温度及实际供热需求来调整，造成热力及电力资源的浪费。而且大功率的工频泵在起停时会对电网造成冲击。目前，热力系统自控改造中，对15KW以上的循环泵普遍使用变频控制。一般的循环泵均采用压差控制方式，即循环泵的转速受二次网供回水压差调整。压差控制的方式可以通过调节循环泵转速，调节二网流量以满足供热需求，从而减少浪费。热力站控制系统根据各系统的实际情况，设定一个供回水压差目标值。设定此供回水压差值以满足二次管网的供暖水循环。这种调整可以起到节约电能及热能的效果，在大型热网中，这种节能手段就能取得可观的效果。
　　二网定压补水控制：二次网的补水控制采用的是定压控制，传统热力站中往往采用压力表电节点控制。随着城市集中供热的发展，系统的热负荷越来越大，热力站系统所带的供暖面积都比较大，并且供热网条件不一，二次网系统的水力损失较大。严重的水力损失使得二次网的补水系统压力加大，补水频繁。而传统的工频补水泵的频繁起停，容易造成二次管网压力的波动。在热负荷较大的系统中，我们采用补水泵变频控制，对补水系统进行精确的微调。当系统失水时，二网压力下降，系统会通过变频器控制补水泵以一定的转速进行补水，AI-808仪表根据当前压力与设定的目标压力来调整补水泵的转速，从而避免补水泵在启动和停止时对二次网系统的冲击。

  四、仪表调试及人机界面功能
1、AI仪表自整定及参数设置：AI人工智能调节方式初次使用时，可启动自整定功能来协助确定M 5、P、t等控制参数。AI人工智能调节算法是采用模糊规则进行PID 调节的一种新型算法，在误差大时，运用模糊算法进行调节，以消除PID 饱和积分现象，当误差趋小时，采用改进后的PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化。具有无超调、高精度、参数确定简单、对复杂对象也能获得较好的控制效果等特点。初次启动自整定时，可将仪表切换到正常显示状态下，按A/M键并保持约2秒钟，此时仪表下显示器将闪动显示“At”字样，表明仪表已进入自整定状态。自整定时，仪表执行位式调节，经2~3次振荡后，仪表内部微处理器根据位式控制产生的振荡，分析其周期、幅度及波型来自动计算出M 5、P、t等控制参数。如果在自整定过程中要提前放弃自整定，可再按A/M键并保持约2秒钟，使仪表下显示器停止闪动“At”字样即可。视不同系统，自整定需要的时间可从数秒至数小时不等。仪表在自整定成功结束后，会将参数CtrL设置为3（出厂时为1）或4，这样今后无法从面板再按A/M键启动自整定，可以避免人为的误操作再次启动自整定。已启动过一次自整定功能的仪表如果今后还要启动自整定时，可以用将参数CtrL设置为2的方法进行启动（参见后文“参数功能”说明）。系统在不同给定值下整定得出的参数值不完全相同，执行自整定功能前，应先将给定值设置在最常用值或是中间值上，如果系统是保温性能好的电炉，给定值应设置在系统使用的最大值上，再执行启动自整定的操作功能。参数CtL（控制周期）及dF（回差）的设置，对自整定过程也有影响，一般来说，这2个参数的设定值越小，理论上自整定参数准确度越高。但dF值如果过小，则仪表可能因输入波动而在给定值附近引起位式调节的误动作，这样反而可能整定出彻底错误的参数。推荐CtI=0-2，dF=2.0。此外，基于需要学习的原因，自整定结束后初次使用，控制效果可能不是最佳，需要使用一段时间（一般与自整定需要的时间相同）后方可获得最佳效果。AI仪表的自整定功能具备较高的准确度，可满足超过90%用户的使用要求。
      一般的调节仪表在自整定时的调节状态是位式控制，输出量要么最大要么最小，在本系统中调节输出大幅变化是不允许的。AI-808调节器具有手动自整定模式可以很好的解决这个问题，具体操作是：把仪表切换到手动输出状态，通过仪表的△ ▽键调整输出量，使测量值尽量和设定值保持一致，然后在这个状态下启动自整定，这样仪表的输出值将限制在当前手动输出值的±10%范围内，从而避免出现输出值的大幅变化。仪表主要参数设置：HIAL：上限报警。LOAL：下限报警。Df：回差（死区、滞环），用于避免因测量输入值波动而产生报警频繁动作。Ctrl：控制方式，采用AI人工智能调节/PID调节，Ctrl设置为4。M5：保持参数，主要决定调节算法中的积分作用，和PID积分时间类似，M5越小，系统积分作用越强。M5=0时取消积分和AI人工智调节，成为PD调节器，经验参数为4。P：速率参数，与每秒内仪表输出变化100%时测量值时应变化大小成正比，P=1000/每秒测量值的升高单位值（系统以0.1定义为一个单位），经验参数为5。T：滞后时间，t越小，则比例和积分作用均成正比增强，而微分作用相对减弱，但整体反馈作用增强：反之，t越大，则比例和积分作用均减弱，而微分作用相对增强经验参数为1。Ctl：输出周期，反映仪表运算调节的快慢。Sn：输入反馈信号类型。OPT：输出方式。CF：系统功能选择，可以选择系统的调节方向。
2、人机界面：人机界面采用AI-2057型触摸数字无纸记录仪。 AI-2057型触摸数字无纸记录仪是基于传统的HMI 触摸屏，配置标准CF卡数据存储模块，采用智能化、模块化和网络化的设计理念二次开发的无纸记录仪，与宇电AI系列产品进行灵活的组态应用，实现多通道数字、曲线全屏显示及数据存储的功能。HMI触摸屏采用RISC CPU、32M 大容量内存，每通道数据刷新时间50 毫秒；选配储存卡槽采用外插拔标配1G 的电子硬盘，可扩展CF卡1～4G 存储记录空间；数据保存按先进先出的原则，转存数据点立即保存；数据通过读卡器在PC上直接打开，数据备份至计算机上，用【宇电无纸记录仪图形软件】来阅读数据曲线；无存储功能时可作终端显示操作屏使用，主机内存可记录大约1小时的数据及报警参数，保存15 条升降温程序配方在中。触摸屏COM1通讯口采用屏蔽双绞线来连接AI 仪表的通讯口端，中间不能用其他的导线来连接；COM2通讯口还具有随机打印功能，或定制数据穿透功能，应用数据穿透功能无纸记录仪可与计算机软件通讯，实现局域网内监控。
    无纸记录仪采用上位机（触摸屏）与下位机（AI 仪表）485总线连接，按地址排列，AI仪表相互独立运行、互不干扰、通电就能显示操作；每台记录仪可选择2、4、6、8、12、16、18、22、24、32 通道软件。在AI-2057上可以通过面板操作调节系统所需的各种运行状态，例如：一、二次网供回水温度及温差等，并可随时查阅以往运行记录；根据用户要求可将当前参数以画面、曲线、报表的形式在屏幕上显示。也可以通过CF卡把存储的数据转到PC机上显示，也可用串行COM2口备份Excel电子表格数据至上位计算机。CF卡内的数据包括：报警报表AL数据包；数据报表DL数据包。数据按年/月/日/小时来保存数据源文件，保存的数据是经过加密的，必须采用DataLogTool 1.0图形软件来阅读。

  五、结语
　　通过热力站自动控制系统的投运，过去主要依靠人工调节的控制手段得到了彻底改善，热网的运行得到合理控制，失调现象得到了有效地解决，消除了热网中各站冷热不均的现象。按需供热、节能降耗，改变了不合理的小温差大流量运行方式，既保证了远端客户的供热需要又避免了近端用户的过热现象直接提高了热网的供热效果。