自動(dòng)化控制技術(shù)在無人值守?zé)崃φ局械膽?yīng)用

岳 俊

（太原市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 太原 030006）

引言

伴隨著國民生活質(zhì)量的改善和政府對(duì)大氣污染的嚴(yán)格控制，今日的冬季供暖產(chǎn)業(yè)擁有著巨大的技術(shù)革新和可觀的發(fā)展前景，同時(shí)也面臨著前所未有的挑戰(zhàn)和挫折。傳統(tǒng)的區(qū)域煤炭鍋爐，存在供熱面積小、熱量分配不均勻、環(huán)境污染嚴(yán)重、資源消耗量大等短板，急需被新興的技術(shù)取締，因此集中供熱技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。熱電聯(lián)產(chǎn)電廠以及調(diào)峰熱源廠作為基礎(chǔ)熱源，將高溫?zé)崴ㄟ^城市熱網(wǎng)源源不斷地輸送到每家每戶，在熱網(wǎng)的中間環(huán)節(jié)起到關(guān)鍵作用的熱力站，熱力站又名換熱站，取其字面意思就是通過一定的介質(zhì)將高溫高能危險(xiǎn)熱源轉(zhuǎn)換為可控可調(diào)節(jié)的熱源，在換熱的過程中起到關(guān)鍵作用的是換熱器。經(jīng)過換熱站可控可調(diào)節(jié)的熱源才滿足通過樓宇管網(wǎng)進(jìn)入到居民家中，達(dá)到供暖的效果，而可控可調(diào)節(jié)就要用到自動(dòng)化控制技術(shù)。自動(dòng)化控制技術(shù)[1]在供暖領(lǐng)域占據(jù)著舉足輕重、不可替代的地位，通過一系列儀器儀表等自控設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)長距離、高精度、安全可靠地控制熱源輸出，進(jìn)而高效滿足熱用戶的用熱體驗(yàn)，提升了居民的幸福感和獲得感，積極響應(yīng)了國家對(duì)節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的強(qiáng)大號(hào)召。

1 換熱站自控系統(tǒng)的構(gòu)成

換熱站的自動(dòng)控制離不開各種電子設(shè)備的正常有序工作，為了達(dá)到現(xiàn)階段國家要求的工業(yè)自動(dòng)化水平，積極引入國際先進(jìn)的自控設(shè)備。圖1 所示為城市供熱系統(tǒng)圖，在熱網(wǎng)的運(yùn)行過程中起到重要作用的電子設(shè)備主要有：

1.1 控制類

PLC 控制柜、電動(dòng)閥、變頻器。在換熱站的控制中起著大腦中樞作用的就是PLC 控制柜[2]，該設(shè)備是一套集成設(shè)備，內(nèi)部含有人機(jī)交互觸摸屏、CPU 模塊、電源模塊、通訊模塊以及I/O 模塊等，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和下發(fā)，I/O 模塊又分為AI（模擬量輸入）模塊、AO（模擬量輸出）模塊、DI（數(shù)字量輸入）模塊、DO（數(shù)字量輸出）模塊。其中AI 主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集功能，AO 用于對(duì)被控設(shè)備進(jìn)行連續(xù)控制，DI 和DO 主要是完成對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)測和控制，CPU 模塊通過功能信號(hào)線完成各種自動(dòng)控制操作。

在各換熱站一次網(wǎng)供水端起調(diào)節(jié)流量作用的是電動(dòng)閥，電動(dòng)閥的開度主要是由二次網(wǎng)的回水溫度決定的，其具體控制流程如圖2 所示。

首先根據(jù)室外溫度對(duì)二次網(wǎng)回水溫度進(jìn)行設(shè)定，其次通過溫度傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)采樣，設(shè)定值與采樣值進(jìn)行比較通過一定的算法計(jì)算出閥門的開度，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)閥閥門開度的控制，閥門的開度決定了一次側(cè)供水端的流量，通過板式換熱器的換熱過程，從而使二次側(cè)回水溫度滿足現(xiàn)場實(shí)際要求。在節(jié)能降耗的大環(huán)境中起到關(guān)鍵作用的就是變頻器，換熱站內(nèi)循環(huán)泵和補(bǔ)水泵的生產(chǎn)運(yùn)行離不開變頻器的控制，PLC 根據(jù)現(xiàn)場的供求關(guān)系計(jì)算出泵類所需的合理轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，在節(jié)約電能和系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提下對(duì)循環(huán)泵或者補(bǔ)水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行變頻調(diào)速。

1.2 泵類

循環(huán)泵、補(bǔ)水泵。一級(jí)熱網(wǎng)內(nèi)以及用戶管網(wǎng)中熱水的流動(dòng)離不開循環(huán)泵，循環(huán)泵通過電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)將冷熱水進(jìn)行交換，從而使熱量源源不斷地輸送到熱用戶。二次側(cè)供回水管網(wǎng)上的壓力變送器實(shí)時(shí)采集壓力值，將供水壓力和回水壓力的壓差與實(shí)際設(shè)定值進(jìn)行比較，并將比較值上傳到PLC 控制器中，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過DO 模塊將控制信號(hào)下發(fā)到變頻器，變頻器通過調(diào)節(jié)循環(huán)泵電機(jī)的運(yùn)行頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的控制。當(dāng)供回水壓差比較值大于給定值，變頻器給定頻率減小，循環(huán)泵降低出力，從而使供回水壓差減??；當(dāng)壓差比較值小于給定值，變頻器給定頻率增加，循環(huán)泵提高出力，從而使供回水壓差增加。換熱過程中難免導(dǎo)致二級(jí)管網(wǎng)出現(xiàn)失水現(xiàn)象，而且在實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行中也存在跑水、偷水等情況，為了維持供熱系統(tǒng)的正?？煽窟\(yùn)轉(zhuǎn)，就需要實(shí)時(shí)為二次網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)水，由變頻器控制的補(bǔ)水泵在其中承擔(dān)著重要的角色。當(dāng)二次網(wǎng)回水管道上的壓力傳感器檢測到的壓力值低于定壓補(bǔ)水的設(shè)定值后，PLC 控制柜通過DO 模塊下發(fā)控制信號(hào)控制相應(yīng)繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)二次網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)水過程；當(dāng)二次網(wǎng)回水壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制補(bǔ)水泵的繼電器斷開，停止補(bǔ)水。

1.3 表計(jì)類

熱量計(jì)、遠(yuǎn)傳水表、水箱液位。本系統(tǒng)采用的熱量計(jì)為超聲波熱量計(jì)，通過超聲波的方法實(shí)時(shí)測量管網(wǎng)中的流量以及換熱過程中釋放或吸收熱量，通過溫度差可以計(jì)算出累積熱量、累積流量、瞬時(shí)熱量、瞬時(shí)流量等參數(shù)。

二次網(wǎng)中的水量會(huì)因?yàn)楦鞣N原因缺失，通過直接補(bǔ)水或者間接補(bǔ)水方式可以滿足二次網(wǎng)的水量要求，遠(yuǎn)傳水表通過檢測補(bǔ)水量的多少，為查偷水、漏水和站內(nèi)用水量提供了重要的參數(shù)指標(biāo)。水箱中液位的上限值和下限值通過觸摸屏給定，水箱液位將采集到的液位值通過AI 模塊輸入到PLC 中，觸摸屏可實(shí)時(shí)查看水箱中水位的高低，防止水箱中液位太低或者太高，影響生產(chǎn)運(yùn)行。

1.4 傳感器類

傳感器包含溫度傳感器、壓力傳感器。溫度傳感器又稱溫變，主要分布在一次網(wǎng)供水端、一次網(wǎng)回水端、二次網(wǎng)供水端、二次網(wǎng)回水端、用戶室外以及各分支管上，用于實(shí)時(shí)檢測溫度，本系統(tǒng)采用的溫變是PT-100 系列，其測量范圍為0～150 ℃。溫變實(shí)時(shí)采集溫度的變化，并將溫度值轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過AI 模塊輸入到PLC 進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理。壓力傳感器又稱壓變，主要分布在一次網(wǎng)供水端、一次網(wǎng)回水端、二次網(wǎng)供水端、二次網(wǎng)回水端、以及各分支管上，用于實(shí)時(shí)檢測水壓，本系統(tǒng)采用的壓變是DPG8001 系列，其測量范圍為0～1.6 MPa。壓變實(shí)時(shí)檢測水壓的變化，并將壓力值轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過AI 模塊輸入到PLC 進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理。

2 全網(wǎng)平衡技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

將自控設(shè)備、PLC 以及全網(wǎng)平衡軟件等搭建控制平臺(tái)，通過熱網(wǎng)的自動(dòng)化調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了熱能的均衡分配，達(dá)到了均勻供熱的目的[3]。全網(wǎng)平衡技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要采用均勻性調(diào)節(jié)策略[4]，根據(jù)現(xiàn)場溫度變送器實(shí)時(shí)采集二次網(wǎng)供回水溫度值，軟件計(jì)算平均溫度，判斷站內(nèi)流量是否滿足運(yùn)行要求。將提前設(shè)定好的供回水平均值與實(shí)際值進(jìn)行比較，若實(shí)際值大于設(shè)定值，則調(diào)小一次網(wǎng)側(cè)電動(dòng)閥的開度，進(jìn)而一次網(wǎng)供水側(cè)的流量減小，同時(shí)PLC 下發(fā)控制信號(hào)到變頻柜進(jìn)行變頻調(diào)速，循環(huán)泵降低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，滿足用戶側(cè)的用熱要求。若實(shí)際值小于設(shè)定值，則調(diào)大一次網(wǎng)側(cè)電動(dòng)閥的開度，進(jìn)而一次網(wǎng)供水側(cè)的流量增大，同時(shí)PLC 下發(fā)控制信號(hào)到變頻柜進(jìn)行變頻調(diào)速，循環(huán)泵提高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，滿足用戶側(cè)的用熱要求。熱網(wǎng)采用全網(wǎng)平衡技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，能夠?qū)嵩唇诉^剩熱量自動(dòng)分配到熱源遠(yuǎn)端，在不需要電廠注入過多熱量的前提下，進(jìn)一步提升了供熱效率和水平。表1 為進(jìn)行全網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)的熱力站溫度數(shù)據(jù)，下頁表2 為不進(jìn)行全網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)的熱力站溫度數(shù)據(jù)。從表中數(shù)據(jù)可以得出，將熱力站加入到全網(wǎng)平衡控制，系統(tǒng)的總體失調(diào)度僅為1.24，若熱力站沒有進(jìn)行全網(wǎng)平衡控制，則系統(tǒng)的失調(diào)度高達(dá)10.68，說明全網(wǎng)平衡技術(shù)對(duì)于系統(tǒng)均勻性調(diào)節(jié)起到了關(guān)鍵性作用。

表1 進(jìn)行全網(wǎng)平衡熱力站溫度數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 不進(jìn)行全網(wǎng)平衡熱力站溫度數(shù)據(jù)對(duì)比

傳統(tǒng)換熱站的正常運(yùn)轉(zhuǎn)離不開大量的人力物力支持，在生產(chǎn)運(yùn)行過程中由于人工以及各種環(huán)境因素的影響難免出現(xiàn)操作失誤、調(diào)節(jié)精度不夠、指令下達(dá)延遲等情況，造成供暖設(shè)備損壞、熱源分配不均衡、生產(chǎn)成本增加等不良后果。為了規(guī)避上述風(fēng)險(xiǎn)，無人值守技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。換熱站無人值守技術(shù)首先是借助各種自動(dòng)化設(shè)備采集站內(nèi)的溫度、壓力、流量等運(yùn)行參數(shù)以及監(jiān)控畫面，其次通過專用網(wǎng)絡(luò)上傳到中控室進(jìn)行電腦分析和人工處理，最后根據(jù)站內(nèi)運(yùn)行工況對(duì)自控柜下達(dá)相應(yīng)操作指令，實(shí)現(xiàn)一次網(wǎng)供水電動(dòng)閥、循環(huán)泵以及補(bǔ)水泵等自控設(shè)備的遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。

熱力站無人值守系統(tǒng)主要由自動(dòng)化控制系統(tǒng)、全網(wǎng)平衡系統(tǒng)、故障報(bào)警系統(tǒng)以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)四部分構(gòu)成[5]。其中自控化控制系統(tǒng)、全網(wǎng)平衡系統(tǒng)前文已經(jīng)介紹，這里不再贅述。換熱站無人值守的穩(wěn)定運(yùn)行，離不開故障報(bào)警系統(tǒng)的可靠保證，PLC 采集各種報(bào)警信號(hào)，包括變頻器故障報(bào)警、失溫失壓超溫超壓報(bào)警、循環(huán)泵補(bǔ)水泵停泵報(bào)警、水箱液位超高超低報(bào)警等，并將數(shù)據(jù)回傳到中控室進(jìn)行專人應(yīng)答處理，有效降低生產(chǎn)事故的發(fā)生。在日常的站內(nèi)巡視工作中，離不開視頻監(jiān)控等終端設(shè)備，每座換熱站內(nèi)都在配電室、大門以及重要運(yùn)行設(shè)備處安裝攝像頭，首先通過專用視頻寬帶將實(shí)時(shí)畫面上傳到各自工段的中心站，其次通過打包轉(zhuǎn)發(fā)將各工段的視頻發(fā)送到中控室進(jìn)行閱覽和回放，最后安排專人值守排查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)站內(nèi)突發(fā)情況。這種分級(jí)分層視頻傳輸方式有效避免了網(wǎng)絡(luò)冗余問題，同時(shí)節(jié)約了大量人力物力，圖3 所示為視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)語

隨著換熱站自動(dòng)化設(shè)備的不斷引入，全網(wǎng)平衡技術(shù)的推廣以及無人值守技術(shù)的應(yīng)用，供熱領(lǐng)域取得了前所未有的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱力站的遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動(dòng)控制，提高了供熱服務(wù)質(zhì)量，達(dá)到了節(jié)能降耗的要求，提升了供熱單位的經(jīng)濟(jì)效益和精細(xì)化管理水平。