??? 摘 要： 設計了具有遠程監控功能" title="監控功能">監控功能的換熱站自動控制系統，主要由S7-200PLC、AL809智能PID調節器、ACS140變頻器、SINAUT MD 720-3 GPRS通訊模塊組成。詳細介紹了循環泵和補水泵的變頻控制方案及具體實施，二次供水溫度自動控制回路與通過GPRS網絡進行遠程數據傳輸的設計。
??? 關鍵詞： 換熱站? S7-200PLC? 變頻調速" title="變頻調速">變頻調速? PID調節器? GPRS

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??? 換熱站是集中供熱" title="集中供熱">集中供熱系統供熱網路與熱用戶的連接場所，是熱源與熱用戶之間的一個中間環節，其供熱品質的好壞對改善熱網熱力工況，提高供熱質量起著重要作用。
??? 本文設計針對某生活小區換熱站。目前此換熱站存在以下缺點：①耗能嚴重。循環泵及補水泵輸出流量無法隨著供暖負荷和管網壓力的變化而變化。②二次供水溫度難以控制。③數據傳輸和通信速率慢、傳輸不穩定、運行成本高。
??? 本論文針對換熱站存在的以上缺點，作以下設計：①基于可編程控制器PLC的變頻調速系統的設計與實現^[1]。②采用智能PID算法，保證二次供水溫度的恒定。③運用GPRS(general packet radio service)通用分組無線業務進行數據傳輸^[2]。系統結構簡圖如圖1所示。

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1 基于PLC的變頻調速系統的設計與實現
??? 系統采用質量雙調的控制方式，即同時控制換熱站的循環泵的流量和二次供水設定溫度，其中量調的節能效果最為顯著。此外系統運行過程中，管網失水是不可避免的，因此需要控制補水泵的補水量以保證系統的穩定運行。原有換熱站水泵電機直接接市電一直以工頻" title="工頻">工頻運行, 泵的輸出流量也就無法隨著供暖負荷的變化而變化,而是始終保持恒定的流量^[3]。
??? 通過變頻器適時適量地控制循環泵電機的轉速可以調節循環泵的輸出流量, 滿足供暖負荷要求，使電機在整個負荷和變化過程當中的能量消耗降到最小程度。應用變頻器還能提高系統的功率因數, 減少電機的無功損耗, 并提高供電效率和供電質量。本系統采用PLC控制泵的運行邏輯并采用變頻器控制泵的轉速來實現這一目的。一臺變頻器拖動三臺循環泵（兩運一備），變頻器采用ABB ACS140。其原理圖如圖2所示。
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??? 首先第一臺泵變頻啟動，如果負荷不夠則第一臺泵轉速加大（需變頻器），如果達到100％時還不滿足要求，則啟動第二臺泵使之在變頻下運行，同時第一臺泵切換到工頻下運行。如果達到了要求則第二臺泵停止運行，則第一臺泵變頻運行。在運行泵出現故障時切換到第三臺備用泵。如果泵反饋信號不等于輸出信號或者任意泵報警，則產生“維護報警”信號。如果所有泵均報警，則產生“無可用泵”信號。根據運行時間自動切換" title="自動切換">自動切換各循環泵。同時也提供低水壓保護和連鎖功能。
??? 對于循環泵，該系統有手動和自動兩種變頻功能和一種工頻功能。在變頻模式下, 手動時, 可以人為隨意給定頻率, 控制循環泵的輸出流量, 調節供暖溫度。自動時, 變頻器和PLC 控制器進行通信, PLC 控制器根據室外溫度傳感器和二次供回水溫度傳感器傳上來的信號進行處理, 按照供熱要求給變頻器發出控制指令, 控制電機轉速調節循環泵輸出流量, 從而達到調節溫度的目的。在變頻器出故障時, 可手動切換到工頻運行, 保證繼續供熱不停產。
??? PLC選用西門子S7-200系列CPU226型（24輸入/16繼電器輸出），同時還加上一個擴展模塊EM235作為模擬量輸入/輸出單元。其控制電路如圖3所示。其中交流接觸器KM1、KM3、KM5 分別控制1# 泵、2# 泵、3# 泵的變頻運行, 而KM2、KM4、KM6 則分別控制1# 泵、2# 泵、3#泵的工頻運行, KM7 控制變頻器工作。SA1、SA2、SA3 分別為3 臺循環泵的停止開關，SA4、SA5、SA6 分別為3臺循環泵的手動起停操作開關。SL 為溫度下限開關, SH 為溫度上限開關。FR1、FR2、FR3 分別為3臺循環泵的過載保護,FA為變頻器保護。

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??? 循環泵PLC控制程序流程圖如圖4所示。

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??? PLC的軟件程序主要完成以下功能：(1)所有泵的啟動都采用變頻啟動且更換啟動泵。(2)自動加泵減泵功能，在一臺泵工作時若溫度沒有達到設定值，而變頻器的輸出頻率卻已經達到了上限，則自動切換本泵為工頻運行，投入第二臺泵為變頻運行；在兩臺泵工作時，若溫度達到了要求，而變頻器的輸出頻率低于設定頻率，則停變頻泵，將工頻泵投變頻運行。(3)系統設置了熱備功能，在兩臺泵都無故障的前提下，一臺單獨運行10小時后，將自動切換另一臺泵。(4)故障自切換功能保證了在有備用泵的前提下，在運行泵出現故障時可以自動切換到備用泵，從而防止出現停水事故和停泵水錘對管網及泵站造成破壞。此外系統還具有頻率、電流、電壓、管網壓力、溫度等監視功能，壓力、溫度異常報警及變頻器、電機故障報警等功能。
??? 補水系統采用變頻調速技術，利用恒壓供水的原理定點補水。系統采用閉環控制，由S7-200PLC及壓力傳感器等組成。壓力傳感器安裝于二次回水管網中，在線監測系統壓力作為反饋信號傳送給PLC，與給定壓力值相比較，如低于此值則加大補水流量，反之，則減少流量，以保證系統壓力恒定。具體控制算法采用PID控制，在PLC里通過編程實現，此方法的定壓誤差非常小，節約了電能，且減少了電機起動時大電流對電機定子繞組電動力的作用。原理圖如圖5所示。

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2 換熱器二次供水溫度調節控制回路
??? 為了做到即經濟運行又保證供熱質量，采用了如圖6所示的二次供水溫度調節控制回路對供熱工況進行分階段調節。其主要功能是通過對各二次供熱系統的溫度檢測、分析，結合外界干擾因素（室外天氣溫度），算出最佳的供水溫度，通過調節一次管網流量，使二次供水溫度接近于它的設定值，這樣在供熱系統滿足用戶需求量的前提下，保證最佳工況?？刂圃菗Q熱器一次水出口的控制閥，該閥門控制換熱器的一次供水流量。將預設定溫度作為給定值，測量溫度值作為反饋值，閥門的開度作為輸出值，采用智能PID算法^[4]，保證二次供水溫度的恒定。

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??? 控制回路中的溫度智能PID調節器采用AL809智能PID調節器，它采用先進的PID調節算法，PID自整定及分段輸出功率限制功能，具備無超調及無欠調的優良控制特性。具有功能強大，組態靈活、適應性廣的特點，適合溫度的精確控制。輸出為開關動作，可直接控制電動調節閥電機的正轉反轉。溫度檢測到的信號和設定值信號在AL809調節器中通過PID整定的輸出值控制一次水出口的控制閥，進而調節二次水的溫度。
??? 每個熱力站均安裝了室外溫度傳感器，預設定溫度根據室外溫度計算得出，通過公式計算出當前的預設定溫度，這個設定溫度是隨著室外溫度的變化而改變的。如圖7所示。

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3 GPRS網絡進行遠程通信
??? 為了掌握供熱流量分配情況、小區用熱總量和調節用戶所用熱量并進行熱能資源優化、調度和自動化管理，系統需要對換熱站運行狀況進行監測，力求做到換熱站無人值守。監測要求：(1)運行參數的監測。在換熱站熱交換生產過程中，存在大量的物理量，如壓力、溫度、流量等模擬量參數。需要通過PLC 對這些參數進行實時采集和處理，并且為遠程傳送做好準備。(2)設備運行狀態的監測。要求在遠程可監測到循環泵、補水泵的電動機運行或者備用的狀態、變頻器輸出的頻率或者電流、調節閥的閥位、電磁閥的動作情況等。(3)換熱站電源以及防火、防盜的監視。無人值守換熱站對防火、防盜提出要求。在換熱站內安裝有火災報警器和防盜報警器，報警器的報警信號應當傳輸到控制中心。
??? 傳輸以上檢測信號到控制中心就要選擇合適的通信手段，這是決定系統性價比的關鍵因素。以前的通信手段傳輸速率慢、傳輸不穩定、運行成本高，不能滿足集中供熱系統監控信息的實時傳輸要求。GPRS技術的出現為集中供熱系統數據采集提供了新的通信手段。GPRS通用分組無線業務是在原有的基于電路交換方式的GSM網絡上增加了SGSN和GGSN等功能實體，為GSM用戶提供分組交換的數據業務。GPRS無線傳輸網絡可實時在線、時延小，能夠同時實時收取、處理多個/所有監測點的各種數據，無需輪巡等特性。GPRS業務傳輸速率高、網絡覆蓋面廣、性價比高。
??? 本系統采用GPRS網絡進行遠程通信，結構如圖8所示。
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??? 系統采用了S7-200系列PLC專用的GRPS無線數據通訊模塊SINAUT MD 720-3。由SINAUT MD720-3 GPRS調制解調器、天線和GPRS通訊管理軟件SINAUT MICRO SC (集成OPC Server)等組成，實現S7-200 PLC的GPRS(GSM移動無線網絡)無線連接。S7-200PLC通過傳感器對現場數據進行實時采集和處理，然后把現場采集到的實時數據通過GPRS模塊發送到GPRS網絡，再由GPRS網絡發送到Internet網上，遠程監控中心就可以通過聯網計算機訪問數據。
??? 由于僅僅支出GPRS 的流量通信費用，所以運行費用極低。經實際測算，單套供熱系統每次大約有十幾字節的數據量，根據換熱站參數變化特點，將GPRS終端的數據更新周期設定為10min，月費用僅為幾元。
??? 本文設計了具有遠程監控功能的換熱站自動控制系統。此系統采用S7-200 CPU226PLC和ABB ACS140變頻器調節循環泵或補水泵的輸出流量, 達到了調節溫度和恒定壓力的目的，提高了控制精度，溫度控制精度小于3％，壓力控制精度在1％以內，更重要的是節約了能源，降低了供熱設施的運行費，節電達到35％以上；采用由AL809智能PID調節器組成的二次供水溫度調節控制回路，通過智能PID算法使二次供水溫度達到設定的溫度，使換熱站做到即經濟運行又保證供熱質量，達到最佳工況；運用SINAUT MD 720-3 GPRS模塊無線傳輸數據可以實時快速地將換熱站現場數據發送到遠程監控中心，實現供熱運行的動態跟蹤監視，實時診斷供熱運行的隱患，使供熱安全、正常和節能地運行，做到了通訊費用的減少與換熱站的無人值守。
參考文獻
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