城市供暖換熱站變頻調速設計

1、<p>　　城市供暖換熱站變頻調速設計</p><p>　　摘 要 隨著我國供暖技術以及區(qū)域集中供暖技術的發(fā)展，供暖系統(tǒng)對供熱量的控制要求越來越精確，節(jié)能指標也越來越高。以自動控制理論為基礎，通過使用PLC完成對換熱站一次水溫度流量、二次水溫度壓力以及室外溫度等參數的采集監(jiān)控，二次水網采用PID恒壓控制，以一次供水流量為被控量，根據室外溫度選擇最優(yōu)需求熱給定值，通過調節(jié)一次供水一級泵的頻率，改變一次水供

2、水流量從而改變換熱器供熱量，形成流量內環(huán)、熱量外環(huán)的串級控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)供熱量的調節(jié)。加入氣候補償，使用變頻調速技術控制水泵，既提高系統(tǒng)可控性又產生十分顯著的節(jié)電效果，具有顯著的節(jié)能效果和廣泛的應用前景。</p><p>　　關 鍵 詞 變頻調速，氣候補償，串級，PLC，PID</p><p>　　集中供熱能實現(xiàn)能源合理、高效率利用、減少環(huán)境污染、促進生產、改善人民生活，是加速城市現(xiàn)代化

3、建設的有效措施和重要途徑。集中供熱已成為我國冬季供熱的一種主要形式[1]。城市集中供暖由熱源、換熱站、用戶熱網三個部分組成。集中供暖的供暖溫度調節(jié)采用自動控制，能夠實時地隨室外溫度的變化而自動調節(jié)供暖參數，以滿足用戶的需要。城市集中供暖具有節(jié)約能源、減少污染、有利生產、方便生活的綜合經濟效益、環(huán)境效益和社會效益[2]。但目前常見的控制系統(tǒng)存在著供熱不穩(wěn)定、供暖調節(jié)不及時、供熱質量差等缺點。為解決上述問題，本設計在基于西門子PLC的基礎上

4、，設計了換熱站變頻調速控制系統(tǒng)，并添加了氣候補償機制，最終實現(xiàn)了換熱站控制系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行，調節(jié)及時、準確。</p><p><b>　　1 總體設計方案</b></p><p>　　換熱站前端經一次水網連接供熱源，后端經二次水網連接熱用戶。一次水網的流量決定了經換熱器交換到二次水網的熱量，而二次水網攜帶的熱即供向熱用戶。而如果靠改變二次水網循環(huán)水流量來實現(xiàn)對供熱用

5、戶的供熱改變，則會造成二次水網中出現(xiàn)欠壓或者過壓的情況，從而影響了供熱質量。同時二次水網運行中不可避免的存在水流失而造成欠水欠壓的情況。</p><p>　　基于以上所述工況，本文設計的控制系統(tǒng)包括對一次水一級泵的串級控制，二次水循環(huán)泵的PID恒壓控制，二次水補水泵的PID控制。為了使控制過程更加精確、供熱質量更加優(yōu)化，本文加入了氣候補償機制，根據室外溫度實時改變供熱量，為了使控制過程的監(jiān)控管理更加方便，本文中設

6、計了人機組態(tài)畫面。</p><p><b>　　1.1 硬件選型</b></p><p>　　根據換熱站控制的工藝要求，對于換熱站變頻調速設計主要需要以下硬件：</p><p>　　一次水網供回水溫度傳感器，一次水出水流量傳感器；二次水網供回水溫度傳感器，壓力傳感器；室外溫度傳感器；一次水網循環(huán)泵及變頻器；二次水循環(huán)泵及變頻器；二次水補水泵及變

7、頻器。</p><p>　　結合系統(tǒng)工況，硬件型號選擇如下：</p><p>　　管道水溫度檢測使用Ni 100標準電阻溫度計。室外溫度檢測使用Ni 100氣候電阻溫度計。壓力傳感器，選用上海極典電子有限公司JPE系列壓力傳感器。量程范圍是0-1Mpa,為了防止傳輸過程中的干擾與損耗，我們采用輸出信號為4~20mA。變頻器選用西門子MICROMASTER 420變頻器V1.1版本。變頻器與

8、PLC通過profiBUS-DP總線連接，profibus-DP總線選用西門子PLC配套電纜。PLC選用SIMATIC S7-300[3] 。CPU采用CPU 313C-2 DP，結合現(xiàn)場信號，模擬量輸入模塊采用西門子模擬輸入模塊SM 331 AI 8 x 12 位（兩塊），SM 331 AI 8 x RTD一塊。</p><p>　　1.2 硬件總體設計結構圖</p><p>　　根據以

9、上硬件，設計如圖1所示硬件總體設計結構圖：</p><p>　　圖 1 硬件總體設計結構圖</p><p><b>　　2 系統(tǒng)硬件配置</b></p><p>　　2.1 變頻器參數設置[4] </p><p>　　本系統(tǒng)中變頻器通過profibus-DP總線與PLC連接，變頻器作為從站，需要對變頻器按硬件組態(tài)，設

10、定相應地址。具體如表1： </p><p>　　表1 變頻器參數設置</p><p>　　變頻器硬件配置如圖2：</p><p>　　圖2 變頻器硬件配置圖</p><p>　　2.2 模擬信號設置 </p><p>　　系統(tǒng)為排除信號干擾，輸入模擬信號統(tǒng)一采用4~20mA電流信號。4~20mA電流測量范圍內模

11、擬值的表示如表2：</p><p>　　表2 4~20mA電流測量范圍內模擬值的表示</p><p><b>　　3 控制系統(tǒng)設計</b></p><p>　　3.1二次水循環(huán)泵PID恒壓控制</p><p>　　在二次水網供水循環(huán)中，根據熱用戶供熱工況預設出合理參考壓值，檢測二次供水的壓力，與該參考壓值作比較，如果實際

12、壓力過大或過小，則通過調節(jié)二次供水的流量改變二次水的壓力，再檢測二次供水的壓力，如未達到參考壓值，繼續(xù)調節(jié)，若達到設定值，則平穩(wěn)運行。系統(tǒng)方塊圖如圖3：</p><p>　　圖3 二次供水恒定壓力控制系統(tǒng)方塊圖</p><p><b>　　3.2 補水控制。</b></p><p>　　本設計以二次水網回水壓力作為補水泵的檢測信號，補水泵的運行

13、分別預設一個啟動壓力值和停止壓力值，當檢測信號達到啟動壓力時，補水泵開始變頻補水；當檢測信號上升至停止壓力時，補水泵停止補水。系統(tǒng)方塊圖如圖4：</p><p>　　圖4 補水系統(tǒng)恒定壓力控制系統(tǒng)方塊圖</p><p>　　3.3 一次水網控制</p><p>　　3.3.1 氣候補償</p><p>　　本設計為使供暖控制更加及時準確，控制

14、質量更高，加入了氣候補償機制[5]。本設計采用經驗值氣候補償方法，即將熱用戶耗熱歷史信息分時段做科學的匯總與統(tǒng)計，形成經驗值表。提供系統(tǒng)參考的預設經驗熱值。</p><p>　　3.3.2 串級控制</p><p>　　一次水網的調節(jié)中，以經驗熱為參考值，同時檢查一次水循環(huán)出回水溫度，通過控制一次水的流量，從而可以改變一次水提供的熱，而在換熱站換熱效率一定的情況下，實現(xiàn)了對二次水網，即熱用

15、戶供熱的調節(jié)。將此熱量環(huán)作為串級控制的主循環(huán)，此回路中的PID控制器為主控制器。將主控制器的輸出經熱量流量轉換，作為內環(huán)PID控制器的參考值。流量傳感器檢測一次水網中的水流量作為控制量與參考值作比較，經副控制器調節(jié)后將控制信號直接以一次水循環(huán)泵電機控制字的形式寫入電機，達到控制。從而形成了外環(huán)熱量環(huán)，內環(huán)流量環(huán)的串級控制系統(tǒng)。系統(tǒng)方塊圖如圖5：</p><p>　　圖5 一次水網串級控制系統(tǒng)方塊圖</p&g

16、t;<p><b>　　4 人機畫面組態(tài)</b></p><p><b>　　4.1 總畫面</b></p><p>　　本設計使用的組態(tài)軟件是組態(tài)王，組態(tài)王亞控科技根據當前的自動化技術的發(fā)展趨勢，面向低端自動化市場及應用，以實現(xiàn)企業(yè)一體化為目標開發(fā)的一套產品。在主畫面中，溫度壓力儀表均模擬就地指示，在切換進入運行狀態(tài)時，對應儀表下

17、數字即顯示為對應的測量值，換熱器采用一般反應容器模擬。詳細總畫面如圖6：</p><p><b>　　圖6 主畫面</b></p><p>　　4.2 氣候補償畫面</p><p>　　本設計中采用串級控制，其中添加氣候補償機制。氣候補償即表示了室外溫度與熱用戶需求供熱的相互關系。圖中，橫軸表示一次循環(huán)泵工作頻率百分比，縱軸代表室外溫度占量程

18、（-30-10℃）百分比。該氣候補償畫面底層可修改，這樣就使其具有一定程度的通用性。具體畫面如圖7：</p><p>　　圖7 氣候補償曲線圖</p><p><b>　　4.3 數據庫畫面</b></p><p>　　系統(tǒng)正常運行，現(xiàn)行室外溫度與對對應供熱，對以后系統(tǒng)數據以及氣候補償是有益補充和優(yōu)化。所以人機畫面應該具有數據庫功能，即能夠實時

19、將溫度與供熱數據記錄，以備之后調用，做數據支撐。數據庫內容包括，日期、時間、室外溫度、供熱量。點擊“插入數據”，“數據查詢”，數據表則實時顯示從上次記錄到此時的所有運行數據，同時數據備份到數據庫表中，方便數據存檔及永久調用。具體畫面如圖8：</p><p><b>　　圖8 數據庫畫面</b></p><p><b>　　4.4 趨勢圖畫面</b&g

20、t;</p><p>　　本設計全系統(tǒng)分三大循環(huán)。一次水網中采用串級控制，即有主、副控制器。二次水網中有恒壓控制，補水網定壓控制，即一共四個控制器。設計中采用PID控制算法，每個控制器的參數可以通過人機畫面直接修改設定，當設置不同的控制參數，系統(tǒng)產生不同的響應曲線。系統(tǒng)初始設置了最優(yōu)響應曲線，所以控制參數的設置使響應曲線追蹤最優(yōu)曲線，投入運行即可。畫面如圖9：</p><p>　　圖 9

21、 系統(tǒng)趨勢圖畫面</p><p><b>　　5 結論與展望</b></p><p>　　通過本次研究設計的基于西門子S7-300 PLC設計的城市供暖換熱站自動控制系統(tǒng)硬件配置、二次供水PID恒壓控制設計、一次供水結合氣候補償機制的串級控制系統(tǒng)設計、軟件編程和人機交互畫面組態(tài)等設計，使換熱站的一次水循環(huán)、二次水循環(huán)、換熱量調節(jié)、氣候補償得到了準確的檢測和精確及時的控

22、制。本研究雖然提出了一些解決方案，對傳統(tǒng)供暖控制系統(tǒng)有一定優(yōu)化，但由于受時間和實際條件限制，本次設計仍然存在很多不足和待提高之處，在本次設計中使用串級控制是設計亮點，同時結合了經驗熱的氣候補償，相較傳統(tǒng)設計方案有所改進，也在一定程度生克服了傳統(tǒng)供暖的不足之處，但其在實現(xiàn)過程中仍存在較多滯后之處，比如針對新供暖用戶，不具有供熱歷史記錄時，系統(tǒng)該如何選擇供熱。因此，研究出控制更加精確、調節(jié)質量更優(yōu)以及適用范圍更加普遍的控制系統(tǒng)是未來研究的課

23、題，比如氣候補償與添加室內溫度調節(jié)、風力和濕度參數影響調節(jié)相結合等。</p><p>　　Abstract With the development of China's heating technology as well as district heating technology, heating system for heat control requirements have become mo

24、re accurate, more and more energy-saving targets. In urban central heating heat exchanger station frequency control technology and climate compensation control, heat transfer station control system can be adjusted in rea

25、l time as the outdoor temperature changes for the heat, but also has significant energy efficiency. Automatic control the</p><p>　　Key words Heat transfer stations, frequency control, climate compensation, c

26、ascade, PLC, PID</p><p><b>　　參 考 文 獻</b></p><p>　　[1] 郭奕. 城市集中供暖的節(jié)能技術途徑分析[J]. 科技視界,2012( 15 ): 55- 56.</p><p>　　[2] 雷潔蘭. 淺談城市住宅集中供暖的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].太原職業(yè)技術學院學報，2009（5）:143-144

27、.</p><p>　　[3] 西門子公司. ST-70 產品說明書. [S].2005，38-65.</p><p>　　[4] 西門子公司. MICROMASTER420 使用大全 [S].2005，69-70.</p><p>　　[5] 李忠，路賓. 氣候補償器在熱水供暖系統(tǒng)中的應用 全國暖通空調制冷2000年學術年會資料集 2000，35-38.</