LK在热网监控中的应用

　　
    　1 引言
　　　
  　　集中供热是国家大力推广的节能和环保措施，是今后供热的发展方向，它具有热效率高、节能、污染小、供热效果好等优点，一般采用热电厂的余热。热网监控系统是专为热网调度自动化而设计的，它集人机界面、数据库管理、计算机网络、远程数据通讯、过程控制和信号检测等先进技术于一体，是区域供热实现现代化管理的一个重要标志。
　
  　　本文介绍了基于和利时公司 LK系列PLC的热网监控系统，作为国内首款大型PLC，LK系列PLC具有高性能、高可靠性、通讯灵活、易维护等特点，为城市热网监控提供了高性能的、实用的、经济的解决方案。
　
  　　2 热网系统工作原理
　　
  　　热力系统由一次网系统、二次网系统、恒压补水系统、热计量系统组成，各部分之间相互联系相互作用。热源通过一次网供水管道进入换热器，经过热交换后，再经一次网回水管道流回热源。而二次网的水在热交换后经二次网供水管道进入取暖用户的散热器，用户取得热量后，经二次网回水管道再进入热交换器，如此循环给用户供暖。如图1所示。
  图1 热力系统工作原理示意图　　3 热网监控系统设计
　　热网调度监控系统实现对各换热站工艺参数、电气参数和设备运行状态进行监测、控制、联锁和报警以及报表打印。通过使用在调度中心和各换热站间的一系列通讯链，完成整个热网调度所必需的数据采集，数据通讯，顺序控制，时间控制，回路调节及上位监视和管理作用。整个系统由调度监控中心、数据通信网络、现场PLC控制站三部分组成。现场PLC换热站主要完成各换热站一、二次网的温度、压力、流量、液位等工艺参数的实时采集、各种运行设备的状态实时反映和控制；在通讯网络的支撑下，通过某种网络接口将反映换热站运行状态的数据传送到调度监控中心，同时接收调度监控中心发来的调度控制指令；调度监控中心负责接收各现场监控设备发来的数据，并对数据进行存储、历史趋势分析、报警、报表打印等，在此基础上，向各现场设备发出调度控制指令。
　　　3.1调度监控中心
　　热网监控中心主要由数据服务器、操作员工作站、工程师工作站、通讯网关、模拟屏、以太网交换机、防火墙、打印机、UPS电源等组成。对规模较小的供热企业，可不设数据服务器，直接操作员工作站兼数据服务器的功能；对于系统规模较大的供热企业来说，如果热力站规模超过50个以上，建议采用专用的数据服务器，运行管理人员主要通过操作员工作站完成监控工作。
　　　数据服务器上安装热网监控系统软件，负责采集现场PLC控制站的数据，监测各换热站的运行情况并指导操作员进行操作。数据服务器实时地从现场PLC控制站采集数据以保证其数据库不断更新。服务器还向现场PLC控制站发送控制和参数设置指令。调度运行人员可从调度监控中心通过操作员工作站能够方便地得到换热站运行的数据并向热力站下达指令。
　　　热网调度监控中心监控系统采集所有热力站的历史数据、实时数据，建立历史数据库；先进的报警管理功能，可以随时接收来自各热力站的故障报警，发出报警信息；优秀的图形化人机交互界面，用户使用更加方便；输出生产报表、管理报表，如日报、周报、月报、年报以及小时平均报表等。
　　　3.2通讯网络
　　通讯网络是整个热网监控系统联络的枢纽，各个换热站、热源、管道监控节点通过通讯网络系统形成一个统一的整体。为了实现运行数据的集中监测、控制、调度，必须建立连接所有监控点的通讯网络。随着网络技术的飞速发展，用户选择的空间越来越大，而且各个地方由于网通、电信、移动、联通部门提供的服务在价格和技术上差异较大，对于通讯方式的选择应该结合实际情况进行仔细分析和比较，最终选择最适合自己的通讯方式。目前可供用户选择通讯网络主要有如下四种方案：
　　（1）拨号通讯网络：直接采用调制解调器拨号

   图2  拨号通讯方案系统图　　优点：网络建设简单，维护工作量小，运行费用较低；
　　缺点：网络不稳定，实时性差，同时只能有一个站上报数据；
　　（2）无线通讯网络：无线电台，采用公用无线频段，自建无线发射、接收站
　　优点：运行费用较低；
　　缺点：安装工作量较大、网络不太稳定，易受干扰，实时性差
   图3  无线电台通讯方案系统图　　（3）移动通讯网络：GPRS/CDMA网络
   图4  GPRS通讯方案系统图
　　优点：安装简单，不受传输距离限制，抗干扰能力强，易维护；
　　缺点：运行费用相对较高。
　　　　（4）虚拟专用网络、ADSL等各种宽带技术
   图5  ADSL通讯方案系统图
　　优点：实时性较好，安装简单，易维护，网络的安全防范性好；
　　缺点：运行费用相对较高。
　　3.3现场PLC控制站
　　现场PLC控制站主要由液晶显示操作终端和控制系统两部分组成。彩色液晶显示屏主要完成各种监控画面、采集参数的显示，并实现一些参数设定信息的输入。控制系统采用性价比较高的LK系列PLC，包括CPU模块、I/O模块，背板等，系统集成多种通讯接口，适用于各种通讯网络。
　　　现场PLC控制站主要功能是对各换热站、供热沿线各节点、热用户运行参数（一、二次网温度、压力、流量等）、各种设备运行状态进行实时监控及采集，并根据气象环境和负荷的变化按预先设定的控制策略对换热站循环泵、补水泵和调节阀进行自动调节，来实现换热机组的完全自动控制，在通讯网络的支撑下，现场监控站通过将反映换供热运行数据传送到调度中心，同时接收调度中心发来的调度控制指令。
　　　4 系统控制策略
　　4.1 一次网控制系统
　　（1）工艺系统组成
系统硬件主要由一次供水电动调节阀、室外温度传感器、一次供回水温度传感器、二次供回水温度传感器组成。
　　（2）工艺控制原理
　　一次网供热量的调节控制是由PID控制器来实现的。控制器根据室外温度生成二次网供回水平均温度的设定值，指令一次网的电动调节阀动作。通过调节电动阀的开度，控制一次网流量变化量。再由流量的变化调节用户的供热量。
　　（3）自动控制框图
　　从图中可以看出，目标设定值与反馈回来的二次网供回水平均温度作比较，产生的差值经过PID运算，得出控制量来调节阀门的开度，实现闭环控制。如图6所示。

   图6 一次网控制原理图
　　4.2 二次网控制系统
　　（1）工艺系统组成
　　硬件主要由变频器、循环水泵、二次供回水温度和压力传感器、室外温度传感器及控制电路组成。
　　（2）工艺控制原理
　　热力站间接连接供热方式，一次网与二次网水力工况互不影响。二次网循环水泵的工作参数一般都是按设计供热负荷选取，对于实施分户热计量的用户采暖系统，二次网具备变流量运行功能，即使对于通常用户采暖系统，在实际运行中，随着热负荷变化循环水泵变流量参与供热调节也可节约大量电能。此外，用户室内采暖系统无论是单管还是双管系统，最佳调节方式都是质量并调，即随室外温度的变化，不但调节供水温度，而且要调节系统流量，这样才能真正消除系统的水平失调和垂直失调。
　　（3）自动控制框图
　　从图7中可以看出，目标设定值与反馈回来的二次网供回水温差作比较，产生的差值经过PID运算，得出控制量来调节阀门的开度，实现闭环控制。

   图7 二次网控制原理图
　　4.3 补水恒压自控系统
　　（1）工艺系统组成
　　硬件由补水泵控制变频器、补水泵定压采样旁通（置于循环水泵上）、泄压旁通（置于补水泵上）、水箱、水箱液位计、给水电磁阀组成。
　　（2）工艺控制原理
　　补水定压系统的作用是防止二次网倒空，保证系统在规定压力下恒压运行。该功能是通过变频调速控制柜完成的。系统压力信号来自定压采样旁通上的压力传感器，当此压力值低于设定压力时，变频控制柜指令补水泵加速补水；当系统压力高于设定压力时，变频控制柜指令补水泵减速补水；当系统压力超过限定压力时，泄压旁通上的旁通阀开启，进行排水泄压。在这里，从定压旁通上取压力信号是为了寻找真正的恒压点位置，如果恒压点位置确定准确，则系统恒压点的压力就能按设定值精确控制。水箱液位是通过液位传感器提供的，当液位超过高液位时，给水电磁阀关闭；当水箱液位降到低于下水位时，给水补给，热力站按停机程序关机，待恢复到正常水位，热力站按开机程序自动投运。
　　（3）自动控制框图
　　如图8所示，在正常情况下，进行正常的PID调节，当系统压力超限时，管网上的排压阀打开。水箱控制策略是：当液位高于高高限时，控制器给出关闭给水阀的信号；当液位低于低低限时供水程序停止，直到液位恢复。

   图8 变频供水控制原理图
　　4.4 热计量系统
　　（1）工艺系统组成与参数
　　硬件由一次供回水温度传感器，一次回水安装的流量计、积分仪组成。热计量需上传和就地显示的参数分别是瞬时流量、累计流量与瞬时热量、累计热量。
　　热力站设置热计量装置不仅为日后实施按热计量收费提供了计量手段，而且“热量与流量”作为重要的运行参数，对核算各个热力站技术经济指标和指导供热运行提供了重要依据。
　　　5 系统功能
　　1）参数检测：主要完成热网现场过程的模拟量（如温度、压力、热量等）、状态量（如泵的状态、温度等）及脉冲量的测量。
　　2）数据存储：由于热网运行的大惰性和控制系统的非实时性，要求现场控制设备能按指定的时间间隔进行参数存储，一般情况下这些参数通过通讯网络定期传输到监控中心的服务器中。
　　3）通讯：LK系列PLC内置RS232、RS485、以太网、PROFIBUS-DP等多种接口，可采用MODBUS协议、TCP/IP协议、UDP协议、自由协议支持的拨号、无线电台、GPRS/CDMA、ADSL等多种通讯方式。该控制器能够在主动或被动方式下与监控中心通过某种通讯网络进行数据通信，以便监控中心能了解系统的整个运行状况，做到系统协调优化运行。
　　4）系统安全：LK系列PLC具有电源、CPU、以太网、总线冗余的功能。同时，LK的采集模块具有掉电检测、断路检测、短路检测等功能，提高了系统得安全性。
　　5）显示操作功能：该控制器具备液晶显示和操作界面，以方便运行人员在现场对运行状况一目了然，同时可以人工直接控制调节系统运行工况。
　　6）报警功能：该控制器能够识别参数异常，并做出报警提示、报警上传等故障处理。
　　7）控制调节功能：LK控制器集成了PID运算模块，可以完成室外温度补偿、自动补水、温度调节、流量调节等环节的自动调节。
　　　6 结束语
　　本文讨论了基于LK系列PLC的热网监控系统的设计与实现，充分发挥了LK可编程控制器配置灵活、控制可靠、编程方便和可现场调试的优点，使整个系统的稳定性有了可靠保障。该控制系统已在最近的采暖期中得到实际应用，为企业带来了可观的经济效益和良好的社会效益。
　　      参考文献
　　[ 1 ] 徐伟, 邹瑜. 供暖系统温控与热计量技术. 中国计划出版社. 2000, 11:101-115.
　　[ 2 ] 潘立登. 过程控制技术原理与应用. 中国电力出版社. 2007, 5:131-140.
　　[ 3 ] 方承远. 《工厂电器控制技术》. 机械工业出版社.
　　[ 4 ] 顾战松. 《可编程控制器原理与应用》. 国防工业出版社.
　　[ 5 ] 和利时公司. HOLLiAS LK大型可编程控制器硬件手册. 2008.