摘  要 介紹了熱網監控系統的構成、通訊、工藝及控制策略、功能等。方案采用和利時公司LK系列PLC，并提供了四種通訊解決方案，詳細說明了各種方案的優缺點，用戶可根據實際應用需求選擇高性能的、實用的、經濟的解決方案。

　　關鍵詞 調度監控中心；換熱站,熱網；LK；可編程控制器

　　1 引言

　　集中供熱是國家大力推廣的節能和環保措施，是今后供熱的發展方向，它具有熱效率高、節能、污染小、供熱效果好等優點，一般采用熱電廠的余熱。熱網監控系統是專為熱網調度自動化而設計的，它集人機界面、數據庫管理、計算機網絡、遠程數據通訊、過程控制和信號檢測等先進技術于一體，是區域供熱實現現代化管理的一個重要標志。

　　本文介紹了基于和利時公司LK系列PLC的熱網監控系統，作為國內首款大型PLC，LK系列PLC具有高性能、高可靠性、通訊靈活、易維護等特點，為城市熱網監控提供了高性能的、實用的、經濟的解決方案。

　　2 熱網系統工作原理

　　熱力系統由一次網系統、二次網系統、恒壓補水系統、熱計量系統組成，各部分之間相互聯系相互作用。熱源通過一次網供水管道進入換熱器，經過熱交換后，再經一次網回水管道流回熱源。而二次網的水在熱交換后經二次網供水管道進入取暖用戶的散熱器，用戶取得熱量后，經二次網回水管道再進入熱交換器，如此循環給用戶供暖。如圖1所示。

圖1 熱力系統工作原理示意圖

　　3 熱網監控系統設計

　　熱網調度監控系統實現對各換熱站工藝參數、電氣參數和設備運行狀態進行監測、控制、聯鎖和報警以及報表打印。通過使用在調度中心和各換熱站間的一系列通訊鏈，完成整個熱網調度所必需的數據采集，數據通訊，順序控制，時間控制，回路調節及上位監視和管理作用。整個系統由調度監控中心、數據通信網絡、現場PLC控制站三部分組成?，F場PLC換熱站主要完成各換熱站一、二次網的溫度、壓力、流量、液位等工藝參數的實時采集、各種運行設備的狀態實時反映和控制；在通訊網絡的支撐下，通過某種網絡接口將反映換熱站運行狀態的數據傳送到調度監控中心，同時接收調度監控中心發來的調度控制指令；調度監控中心負責接收各現場監控設備發來的數據，并對數據進行存儲、歷史趨勢分析、報警、報表打印等，在此基礎上，向各現場設備發出調度控制指令。

　　3.1調度監控中心

　　熱網監控中心主要由數據服務器、操作員工作站、工程師工作站、通訊網關、模擬屏、以太網交換機、防火墻、打印機、UPS電源等組成。對規模較小的供熱企業，可不設數據服務器，直接操作員工作站兼數據服務器的功能；對于系統規模較大的供熱企業來說，如果熱力站規模超過50個以上，建議采用專用的數據服務器，運行管理人員主要通過操作員工作站完成監控工作。

　　數據服務器上安裝熱網監控系統軟件，負責采集現場PLC控制站的數據，監測各換熱站的運行情況并指導操作員進行操作。數據服務器實時地從現場PLC控制站采集數據以保證其數據庫不斷更新。服務器還向現場PLC控制站發送控制和參數設置指令。調度運行人員可從調度監控中心通過操作員工作站能夠方便地得到換熱站運行的數據并向熱力站下達指令。

　　熱網調度監控中心監控系統采集所有熱力站的歷史數據、實時數據，建立歷史數據庫；先進的報警管理功能，可以隨時接收來自各熱力站的故障報警，發出報警信息；優秀的圖形化人機交互界面，用戶使用更加方便；輸出生產報表、管理報表，如日報、周報、月報、年報以及小時平均報表等。

　　3.2通訊網絡

　　通訊網絡是整個熱網監控系統聯絡的樞紐，各個換熱站、熱源、管道監控節點通過通訊網絡系統形成一個統一的整體。為了實現運行數據的集中監測、控制、調度，必須建立連接所有監控點的通訊網絡。隨著網絡技術的飛速發展，用戶選擇的空間越來越大，而且各個地方由于網通、電信、移動、聯通部門提供的服務在價格和技術上差異較大，對于通訊方式的選擇應該結合實際情況進行仔細分析和比較，最終選擇最適合自己的通訊方式。目前可供用戶選擇通訊網絡主要有如下四種方案：

　?。?）撥號通訊網絡：直接采用調制解調器撥號

圖2  撥號通訊方案系統圖

　　優點：網絡建設簡單，維護工作量小，運行費用較低；

　　 缺點：網絡不穩定，實時性差，同時只能有一個站上報數據；

　　（2）無線通訊網絡：無線電臺，采用公用無線頻段，自建無線發射、接收站

　　優點：運行費用較低；

　　缺點：安裝工作量較大、網絡不太穩定，易受干擾，實時性差。

圖3  無線電臺通訊方案系統圖

　?。?）移動通訊網絡：GPRS/CDMA網絡

圖4  GPRS通訊方案系統圖

　　優點：安裝簡單，不受傳輸距離限制，抗干擾能力強，易維護；

　　缺點：運行費用相對較高。

　?。?）虛擬專用網絡、ADSL等各種寬帶技術

圖5  ADSL通訊方案系統圖

　　優點：實時性較好，安裝簡單，易維護，網絡的安全防范性好；

　　缺點：運行費用相對較高。

　　3.3現場PLC控制站

　　現場PLC控制站主要由液晶顯示操作終端和控制系統兩部分組成。彩色液晶顯示屏主要完成各種監控畫面、采集參數的顯示，并實現一些參數設定信息的輸入?？刂葡到y采用性價比較高的LK系列PLC，包括CPU模塊、I/O模塊，背板等，系統集成多種通訊接口，適用于各種通訊網絡。

　　現場PLC控制站主要功能是對各換熱站、供熱沿線各節點、熱用戶運行參數（一、二次網溫度、壓力、流量等）、各種設備運行狀態進行實時監控及采集，并根據氣象環境和負荷的變化按預先設定的控制策略對換熱站循環泵、補水泵和調節閥進行自動調節，來實現換熱機組的完全自動控制，在通訊網絡的支撐下，現場監控站通過將反映換供熱運行數據傳送到調度中心，同時接收調度中心發來的調度控制指令。

　　4 系統控制策略

　　4.1 一次網控制系統

　?。?）工藝系統組成

　　系統硬件主要由一次供水電動調節閥、室外溫度傳感器、一次供回水溫度傳感器、二次供回水溫度傳感器組成。

　?。?）工藝控制原理

　　一次網供熱量的調節控制是由PID控制器來實現的。控制器根據室外溫度生成二次網供回水平均溫度的設定值，指令一次網的電動調節閥動作。通過調節電動閥的開度，控制一次網流量變化量。再由流量的變化調節用戶的供熱量。

　?。?）自動控制框圖

　　從圖中可以看出，目標設定值與反饋回來的二次網供回水平均溫度作比較，產生的差值經過PID運算，得出控制量來調節閥門的開度，實現閉環控制。如圖6所示。

圖6 一次網控制原理圖

　　4.2 二次網控制系統

　?。?）工藝系統組成

　　硬件主要由變頻器、循環水泵、二次供回水溫度和壓力傳感器、室外溫度傳感器及控制電路組成。

　　（2）工藝控制原理

　　熱力站間接連接供熱方式，一次網與二次網水力工況互不影響。二次網循環水泵的工作參數一般都是按設計供熱負荷選取，對于實施分戶熱計量的用戶采暖系統，二次網具備變流量運行功能，即使對于通常用戶采暖系統，在實際運行中，隨著熱負荷變化循環水泵變流量參與供熱調節也可節約大量電能。此外，用戶室內采暖系統無論是單管還是雙管系統，最佳調節方式都是質量并調，即隨室外溫度的變化，不但調節供水溫度，而且要調節系統流量，這樣才能真正消除系統的水平失調和垂直失調。

　?。?）自動控制框圖

　　從圖7中可以看出，目標設定值與反饋回來的二次網供回水溫差作比較，產生的差值經過PID運算，得出控制量來調節閥門的開度，實現閉環控制。

圖7 二次網控制原理圖

　　4.3 補水恒壓自控系統

　　（1）工藝系統組成

　　硬件由補水泵控制變頻器、補水泵定壓采樣旁通（置于循環水泵上）、泄壓旁通（置于補水泵上）、水箱、水箱液位計、給水電磁閥組成。

　?。?）工藝控制原理

　　補水定壓系統的作用是防止二次網倒空，保證系統在規定壓力下恒壓運行。該功能是通過變頻調速控制柜完成的。系統壓力信號來自定壓采樣旁通上的壓力傳感器，當此壓力值低于設定壓力時，變頻控制柜指令補水泵加速補水；當系統壓力高于設定壓力時，變頻控制柜指令補水泵減速補水；當系統壓力超過限定壓力時，泄壓旁通上的旁通閥開啟，進行排水泄壓。在這里，從定壓旁通上取壓力信號是為了尋找真正的恒壓點位置，如果恒壓點位置確定準確，則系統恒壓點的壓力就能按設定值精確控制。水箱液位是通過液位傳感器提供的，當液位超過高液位時，給水電磁閥關閉；當水箱液位降到低于下水位時，給水補給，熱力站按停機程序關機，待恢復到正常水位，熱力站按開機程序自動投運。

　　（3）自動控制框圖

　　如圖8所示，在正常情況下，進行正常的PID調節，當系統壓力超限時，管網上的排壓閥打開。水箱控制策略是：當液位高于高高限時，控制器給出關閉給水閥的信號；當液位低于低低限時供水程序停止，直到液位恢復。

圖8 變頻供水控制原理圖

　　4.4 熱計量系統

　　（1）工藝系統組成與參數

　　硬件由一次供回水溫度傳感器，一次回水安裝的流量計、積分儀組成。熱計量需上傳和就地顯示的參數分別是瞬時流量、累計流量與瞬時熱量、累計熱量。

　　熱力站設置熱計量裝置不僅為日后實施按熱計量收費提供了計量手段，而且“熱量與流量”作為重要的運行參數，對核算各個熱力站技術經濟指標和指導供熱運行提供了重要依據。

　　5 系統功能

　　1）參數檢測：主要完成熱網現場過程的模擬量（如溫度、壓力、熱量等）、狀態量（如泵的狀態、溫度等）及脈沖量的測量。

　　2）數據存儲：由于熱網運行的大惰性和控制系統的非實時性，要求現場控制設備能按指定的時間間隔進行參數存儲，一般情況下這些參數通過通訊網絡定期傳輸到監控中心的服務器中。

　　3）通訊：LK系列PLC內置RS232、RS485、以太網、PROFIBUS-DP等多種接口，可采用MODBUS協議、TCP/IP協議、UDP協議、自由協議支持的撥號、無線電臺、GPRS/CDMA、ADSL等多種通訊方式。該控制器能夠在主動或被動方式下與監控中心通過某種通訊網絡進行數據通信，以便監控中心能了解系統的整個運行狀況，做到系統協調優化運行。

　　4）系統安全：LK系列PLC具有電源、CPU、以太網、總線冗余的功能。同時，LK的采集模塊具有掉電檢測、斷路檢測、短路檢測等功能，提高了系統得安全性。

　　5）顯示操作功能：該控制器具備液晶顯示和操作界面，以方便運行人員在現場對運行狀況一目了然，同時可以人工直接控制調節系統運行工況。

　　6）報警功能：該控制器能夠識別參數異常，并做出報警提示、報警上傳等故障處理。

　　7）控制調節功能：LK控制器集成了PID運算模塊，可以完成室外溫度補償、自動補水、溫度調節、流量調節等環節的自動調節。

　　6 結束語

　　本文討論了基于LK系列PLC的熱網監控系統的設計與實現，充分發揮了LK可編程控制器配置靈活、控制可靠、編程方便和可現場調試的優點，使整個系統的穩定性有了可靠保障。該控制系統已在最近的采暖期中得到實際應用，為企業帶來了可觀的經濟效益和良好的社會效益。

　　參考文獻

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