一種換熱站節(jié)能自控柜的研究與設計

摘要：本文根據(jù)實際需求提出一種換熱站節(jié)能自控柜的設計方案，能滿足軟件平 臺對換熱站設備的遠程數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，實現(xiàn)無人值守。實現(xiàn)換熱站高、中、低 區(qū)及商業(yè)區(qū)的二次網(wǎng)供水溫度的分區(qū)控制和節(jié)能控制策略。

關鍵詞：PLC 自控柜；分區(qū)節(jié)能控制；遠程數(shù)據(jù)采集域監(jiān)控；無人值守

一、換熱站自控柜的現(xiàn)狀與設計思路

（一）換熱站自控柜的現(xiàn)狀

2017 年北方各省相繼推出清潔供暖的政策與措施，供熱節(jié)能改造成為一種趨 勢。換熱站作為供熱系統(tǒng)中一個重要環(huán)節(jié)，是供熱精細化監(jiān)控與節(jié)能管理的重要 部分。因當前很多地區(qū)的換熱站控制柜還不具備數(shù)據(jù)遠程與遠程監(jiān)控的功能，有 些換熱站自控柜雖有數(shù)據(jù)遠程功能，但是無法實現(xiàn)遠程設備的控制功能。在“互 聯(lián)網(wǎng)+”趨勢下，作為換熱站數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控中心的換熱站節(jié)能自控柜也是朝著 無人值守與智能化方向發(fā)展。在技術發(fā)展的趨勢下，研究與設計一種適應實際需 求的換熱站節(jié)能控制柜，既能滿足供熱節(jié)能改造的需要，又能取得較好的經(jīng)濟效 益。

（二）換熱站控制對象的現(xiàn)狀

隨著城市的發(fā)展，城市中小區(qū)內(nèi)的高層建筑越來越多。高層建筑樓層一般為 33 層左右，樓下為商業(yè)，樓上為住宅區(qū)。為較好的滿足不同樓層的供暖供水壓 力，換熱站的二次網(wǎng)一般分成高、中、低區(qū)三個區(qū)分別對不同的樓層供暖，并且 都會從二次網(wǎng)的低區(qū)分出一個支路給商業(yè)供暖。這種建筑具有多個住宅的分區(qū)， 每個住宅分區(qū)通過調(diào)節(jié)分布式變頻泵的頻率來調(diào)節(jié)二次網(wǎng)的供水溫度，這種建筑 還具有樓下低區(qū)商戶的分時節(jié)能控制。針對這種城市中典型的建筑特點，就需要 研究設計一種典型的換熱站節(jié)能自控柜滿足其供暖的需要。 2 這種換熱站的具有如下的自控設備：（1）一次網(wǎng)的供回水溫度傳感器、一 次網(wǎng)的供回水壓力傳感器、一次網(wǎng)熱量表；（2）二次網(wǎng)高區(qū)的供回水溫度傳感 器、供回水壓力傳感器、熱量表；（3）二次網(wǎng)中區(qū)的供回水溫度傳感器、供回 水壓力傳感器、熱量表；（4）二次網(wǎng)低區(qū)的供回水溫度傳感器、供回水壓力傳 感器、熱量表；（5）水箱的液位傳感器、室外溫度傳感器；（6）水箱補水電磁 閥 （7）高、中低區(qū)補水泵變頻控制；（8）高、中、低區(qū)循環(huán)泵變頻控制；（9） 高、中、低區(qū)分布式變頻泵控制柜；（10）攝像頭、錄像機；（11）水侵報警器。 設計換熱站自控柜時，需要確定數(shù)字量、模擬量個數(shù)，才能確定選擇多少個 數(shù)字量和模擬量模塊。每個傳感器都是一個模擬量輸入點，每個熱量表是一個數(shù) 據(jù)采集點，每個泵變頻控制都有啟停控制、故障反饋、頻率給定、頻率反饋，因 而它有一個數(shù)字量輸入、一個數(shù)字量輸出、一個模擬量輸入、一個模擬量輸出。 綜上這種換熱站有 18 個傳感器和 9 個變頻泵供需 27 個模擬量輸入點；9 個變頻 泵供需 9 個模量輸出點；補水電磁閥和 9 個變頻泵需 10 個數(shù)字量輸出點，水侵 報警器和 9 個變頻泵需要 10 個數(shù)字量輸入點。

（三）解決問題思路

結合上述換熱站自控柜子的現(xiàn)狀以及換熱站自控設備對象的現(xiàn)狀和特點。本 文研究設計的換熱站節(jié)能自控柜需要滿足先進性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性、可靠性、易 操作性、易維護性。換熱站 PLC 控制系統(tǒng)可獨立完成本地控制，各個換熱站利用 通訊網(wǎng)絡可將數(shù)據(jù)傳給監(jiān)控中心，同時接受監(jiān)控中心的運行參數(shù)調(diào)整。 具體本文設計的換熱站節(jié)能自控柜它能實現(xiàn)以下控制功能：（1）手動和自動 進行補水泵變頻控制、二次網(wǎng)循環(huán)泵變頻控制、補水電磁閥等控制，手動和全自 動方式可選擇。（2）商業(yè)區(qū)分時分區(qū)自動控制；（3）二次網(wǎng)供水溫度分時段定供 溫控制，具有氣候補償控制策略，PLC 控制器通室外溫度與供水溫度的曲線及當 前室外溫度值，實現(xiàn)二次網(wǎng)側供水溫度的自動控制，滿足用戶室溫需求；（4） 水箱自動補水控制和管網(wǎng)低壓補水自動控制；（5）超壓時，泄壓閥自動開啟， 進行泄壓；（6）換熱站水表、電表、熱量表、溫度傳感器、壓力傳感器、液位 傳感器、室外溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集；（7）攝像頭視頻采集與存儲；（8）水侵報 3 警信號。既有實現(xiàn)手動、自動、分時段、分區(qū)域、有氣候補償?shù)墓?jié)能控制策略， 又能較好的實現(xiàn)換熱站數(shù)據(jù)采集與遠程監(jiān)測與控制。

二、一種換熱站節(jié)能自控柜的具體設計

（一）主要設備選型 PLC 設備選型：通過比較發(fā)現(xiàn)，西門子系列 PLC 應用比較廣泛，通訊協(xié)議公 開，應用維護比較方便，通過對比性價比，選用西門子 S7-200 224XP 比較合適， 根據(jù)控制設備數(shù)量，確定每個柜子采用 2 個 PLC。該型號 PLC 具有 1 個模擬量輸 入點，1 個模擬量輸出點，2 路 RS485，10 個數(shù)字量輸出，14 個數(shù)字量輸入，滿 足數(shù)字量點的要求，數(shù)字量全部采用 24V 繼電器隔離輸出。 模擬量輸入輸出模塊的選型：因 PLC 選用西門子系列，因而模擬量輸入輸出 模塊也采用西門子 EM235CN 四輸入兩輸出模擬量模塊，因系統(tǒng)供需要 27 個模擬 量點，所以需要 7 個這種型號的模塊。7 個模塊中的其中 4 個擴展在第一個 PLC 后面，另外 3 個擴展在第 2 個 PLC 后面。 觸摸屏的選型：觸摸屏選用 10 寸大小的屏，具有 1 路 RS485 和 1 路 RS232 接口，同時還有 1 路網(wǎng)線接口。因換熱站控制柜實現(xiàn)遠程監(jiān)控后，觸摸屏本地操 作次數(shù)不會很多，10 寸觸摸屏已經(jīng)滿足現(xiàn)場設置參數(shù)的需要。 4G 無線路由器：換熱站節(jié)能自控柜內(nèi)部標配 4G 路由器。4G 路由器具有 1 路 RS232 通訊接口和 4 路網(wǎng)線接口，滿足攝像頭、錄像機的網(wǎng)絡接口需要，其中 RS232 接口已經(jīng)映射成路由器的 502 端口。根據(jù)現(xiàn)場有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡的條件。 設置上行通訊為 4G 無線方式、或 VPN 方式、或動態(tài)域名方式。當上行通訊方式 為 4G 無線方式時，不實時上傳攝像視頻信號，將視頻信號保存在刻錄機中。 24V 開關電源：選擇輸出功率為 350W 的開關電源。PLC、模擬量模塊、繼電 器、熱量表等都需要 24V 直流電源供電。 12V 開關電源：遠傳水表需要 12V 直流電源供電，因只有 4 個電表，選擇 24W 的開關電源已經(jīng)滿足需求。 溫度變送器：測量范圍 0℃-150℃，感溫元件 Pt100，電壓 24VDC，輸出信 號 4-20mA。 4 室外溫度變送器：測量范圍-50℃-50℃，感溫元件 Pt100，工作電壓 24VDC， 輸出信號 4-20mA。 壓力變送器：壓力量程 0-1.6MPa，精度等級高于 0.5 級，工作電壓 24VDC， 輸出信號 4-20mA。 液位變送器：量程為水箱高度加 1 米，精度等級高于 0.2 級，工作電壓 24VDC， 輸出信號 4-20mA

（二）柜體的總體部局設計

本文研究設計的換熱站節(jié)能控制柜具有以下特點： 換熱站節(jié)能控制柜體積為高 1800mmx 寬 600mmx 厚 450mm，下面有底座高 200mmx 寬 600mmx 厚 450mm，底座與柜體之間設置一個開孔的擋板，這樣接完線 調(diào)試好后，有擋板擋著，看不到柜體下面線槽溝里面的線，所以柜子內(nèi)部看上去 非常整齊。 西門子的四輸入兩輸出模擬量模塊接法有 2 種：一是溫度、壓力等傳感器的 有源 4-20mA 輸入方式，其相應輸入通道接口的 COM 接 24V 負，V+和 I-接傳感器 的負端，傳感器的正端接直流 24V；二是變頻泵的變頻器頻率反饋輸入是無源的， 其相應輸入通道接口的 COM 接頻率反饋的負端，V+和 I-接頻率反饋的正端。 換熱站節(jié)能控制柜內(nèi)部設置 1 路照明燈，采用門限開關控制，當柜體門打開 是，照明燈亮，反之，照明燈滅。柜體內(nèi)部設計 1 個 5 口插座，方便換熱站節(jié)能 控制柜調(diào)試時筆記本電腦取電。 換熱站節(jié)能控制柜下面 50CM 高度為接線端子，接線端子分 3 排豎著排列， 不是普通的橫向排列方式。這種排列方式在現(xiàn)場接線時視野比較好，不容易接錯 了。橫向排列方式，接線端子是下方接線，又由于接線端子在柜體下面位置，需 要幾乎趴在地上才能看到接線口，視野不好。

（三）柜體內(nèi)通訊架構

4G 路由器通過 4G 無線網(wǎng)絡或者有線網(wǎng)絡與供熱公司的監(jiān)控中心軟件平臺通 訊，當換熱站與監(jiān)控中心不在同一個局域網(wǎng)時，有線網(wǎng)絡可以設置為 VPN 方式或 5 者動態(tài)域名方式。觸摸屏通過 RS232 接口與 4G 路由器通訊，4G 路由器的串口映 射成路由器的 502 端口。觸摸屏通過 RS485 接口與 PLC、水表、電表、熱量表通 訊，采集數(shù)據(jù)與遠程監(jiān)測。攝像頭和刻錄機通過網(wǎng)線接到 4G 路由器的網(wǎng)線口， 當采用 4G 網(wǎng)絡無線通訊時，攝像頭的視頻信息存儲在刻錄機內(nèi)，不實時上傳。 這樣整個柜體內(nèi)的通訊網(wǎng)絡連通。

三、結束語

本文根據(jù)城市換熱站改造需求提出一種換熱站節(jié)能自控柜的設計方案，能滿 足軟件平臺對換熱站設備的遠程數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，實現(xiàn)無人值守。該換熱站節(jié)能 自控柜具有一些自身的特點。

參考文獻： 1.任愛東 換熱站系統(tǒng)設計思路[J]供熱計量 2014，12

作者簡介：鄧海平，男，1985年4月，湖南東安，大學本科，廣東艾科技術股份有限公司