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摘要：針對如今熱交換站工作效率和自動控制程度不高的問題，設計了基于plc的熱交換站監控系統，實現對熱交換站進行實時監控。本系統通過PLC對變頻器進行調節，來實現對熱交換站中各泵機的變頻控制，采用組態王軟件進行監控界面的搭建，通過PLC與上位機的現場總線進行通訊，從而顯示各設備工作狀態，使熱交換站運行在最佳工作狀態下。該系統運行情況穩定，有效的提高了熱交換站的工作效率，能夠有效的、穩定的、安全的為熱用戶提供供熱服務，達到了節能的目的。

關鍵詞：PLC；變頻控制；實時監控；組態王

在集中供熱系統中，由于動態生產數據實時性要求高，管線覆蓋區域范圍大，傳統的監控方式難以實現。本系統通過典型的兩級控制，即上位機+下位機的控制方式，利用較為先進的計算機技術、PLC、測控技術，實現以遠程監控運行參數為主，輔以人員巡查，基本達到沒有人員值守的目標。該系統可實現對熱交換站的實時工作狀態和反饋信息采集，并及時進行遠程調控，使熱交換站系統能夠在最佳工況下維持運行，達到節能減排目的，借此來取得優異的經濟和環保效益。

1系統整體設計

熱交換站控制系統的最終目的是使室溫達到要求，而要實現這個控制要求就需要對二次側供水溫度進行自動控制。該系統由工控機作為上位機，PLC作為底層的DDC控制器[1]，搭配使用彩色顯示器以及其它高品質的硬件設備，運用系統控制算法、組態等先進的軟件，能夠達到讓系統實時地在顯示器上顯示熱交換站運行情況[2]，從而運行在最佳狀態下。本系統主要由控制和監控系統兩部分組成。其中控制系統又可分為溫度控制系統、二次供水壓力控制系統與二次側定壓補水系統[3]。溫度控制系統通過PLC調節一次循環泵的運行頻率改變一次管網內的供水流量，而二次側水溫取決于一次側的控制[4]，由此可以實現對供熱室內溫度的控制。二次側供水壓力控制系統的合理控制決定著熱交換站運行的安全性和高效性。熱交換站管道內多為高溫熱水，若供水壓力不足，導致一些距離熱交換站較遠或是高層用戶供熱不足；但是若壓力過大會造成輸配能耗增大，并且極其不安全。本著提高控制效率同時保證節能的目標，二次供水壓力控制系統采用PID算法對變頻器進行控制[5]，同時依據實際系統規模大小來決定變頻器與循環泵的數量。二次側定壓補水控制系統保持熱交換站需要的壓差。在實際供暖過程中，熱水管網不可避免的會發生漏水現象，導致整個管網的壓力逐漸下降，整個系統的供暖能效降低。本系統通過變頻器調節補水泵的運行頻率實現對系統的補水，使系統工作在恒定的壓力狀態下。監控系統采用了經典的上、下位機兩級控制成。其中上位機應用組態王軟件設計了組態畫面，實現對整個控制系統的監控管理和控制功能。現場設備的直接控制主要由PLC承擔，實時采集并處理各種數據，然后及時將數據反饋至上位機。上位機與下位機的通訊通過現場總線進行。監控系統主要實現對數據的實時采集與處理，對溫度與壓力進行自動控制，通過上位機實現遠程監控等。

2系統硬件設計

2.1溫度控制設計。本系統中選用接觸式的PT100熱電阻溫度傳感器，其不僅溫度采集范圍大(-200℃~+850℃)而且測量精度能夠達到0.1℃,最為重要的是能夠在濕度較高的地方進行正常工作。該溫度傳感器分別安裝于系統一次側和二次側的供水管道上，實現對水溫信息采集，并將所獲得的信號轉化為4~20mA電流傳遞到PLC中。因此該溫度傳感器能夠滿足系統工作需求。本熱交換站系統進行溫度控制調節的方式是通過改變一次側循環泵的運行頻率，并將其運轉頻率作為輸出值，結合溫度傳感器所反饋給PLC的溫度參數與預設定的給定值進行比較。由此來實現整個控制溫度調節。整個溫度控制調節環節能夠自動做出相應的反應。系統具體運行方式：PLC接收溫度傳感器所給出的反饋值后，用PID算法給一次側的變頻器做出相應的指令，由變頻器控制循環泵的運轉速率。以此實現對一次側高溫熱水流量的控制，同時改變了傳送到換熱器的熱能，使二次供水溫度穩定在了設定值附近。溫度調節示意圖，如圖1所示。

2.2壓力調節控制設計。本系統采用抗沖擊能力強、響應時間快的PTG504水壓傳感器，其工作電壓為24VDC并且能夠在環境溫度濕度較高的環境中正常運行。在本系統計中選用量程范圍為0MPa~120MPa，同時將此水壓傳感器通過不銹鋼防水密封端子進行電氣連接，在這種濕度較大的系統中，延長了設備的使用壽命。該熱交換站監控系統中，將水壓傳感器裝置于一、二次側管網的管道的內壁上，從而實現對管道內水壓的測量，并將測量的壓力值轉換成0~10V的模擬信號量傳遞給PLC。在整個熱交換站系統中，由于供暖系統中熱負荷是一個不穩定值，其受到室外溫度、系統自身熱量流失等因素變化的影響，引起循環水流量的改變，從而導致管網壓力隨之發生變化。熱負荷值與室外環境溫度成反比，當室外溫度較高時，相對應的熱負荷就會較低，若仍然按照室外溫度較低時情況下的熱負荷供暖就會產生能源的浪費。為了杜絕產生浪費現象，本系統將室外溫度分為兩個階段進行調節。若室外溫度高于設定值，變頻器將會控制循環水泵以0.75工頻運行[6]；當室外溫度低于設定值時，循環泵將正常運行。在壓力流量調節中，壓力傳感器讀取管網壓力后，將其所取得的數據反饋給PLC，然后PLC對PID調節器給出控制信號，再由調節器控制變頻器進行變頻，從而實現了對管網壓力的控制。

2.3執行硬件設計。熱交換站系統執行硬件部分主要由換熱器、變頻器、循壞泵和補水泵等組成。換熱器是整個熱交換站系統中一個最為重要的部分，實現了熱量之間的傳遞。變頻器是系統運行調速的核心，由PLC中來控制變頻器的啟停，再由PID算法來控制變頻器的實際控制，最后供給電動機帶動循環泵以實現無級調速，達到循環泵的轉速能夠隨著負荷的改變而進行自動調節的目的。在整個系統中變頻調速指令將有PLC與變頻器合作完成，實現供水壓力能夠維持在設定的供水壓力數值區間的目的，以此保證整個管網的水壓恒定，是系統更加趨于穩定。本系統采取變頻調速方式，主要作用體現在通過變頻能夠達到恒壓供水，恒溫供熱并避免不必要的資源浪費，節能效果明顯。

3系統軟件設計

3.1控制系統流程圖。當系統開始運行時首先需要設定二次側的溫度、二次側水壓與補水泵工作時的水壓。將PLC所采集到的二次側溫度與設定值進行比較，若未達到設定值，一次側循環泵變頻控制啟動，通過調節一次側高溫熱水的流量對二次側供水溫度進行控制。若達到則進行再對補水泵是否加入二次側水壓控制進行判斷如果需要補水泵加入來對二次側水壓進行控制，則補水泵變頻控制啟動。若不需要則二次側循環泵變頻控制單獨進行控制。二次側水壓反饋值與設定值進行對比，如果二次側水壓達到設定值，系統不再進行變頻控制。熱交換站監控系統的控制流程圖，如圖2所示。

3.2報警流程圖。在實際生產過程中常會出現各種因素影響系統穩定，這是報警系統就體現出了作用。在系統運行前需先設置一次側的報警溫度與報警水壓。因為一次側的高溫循環水若不能達到標準勢必會影響整個系統的供熱效率。所以當一次側的水溫低于設定的報警溫度時，系統發出報警信號。一次管網內由于只通過循環泵對水壓進行控制，容錯率較低，若不能及時發現水壓失衡同樣會影響整個系統的穩定。

3.3PID算法控制。本系統中采用了PID算法通過PLC控制變頻器來改變循環泵工作效率，一次網管道上的變頻器運行和二次網供水溫度成正比。當二次網供水溫度低的時候，變頻器增加頻率。當二次網供水溫度高的時候，變頻器降低頻率。補水泵與二次循環泵也是同樣的控制方式。

4系統仿真與調試

本系統搭建組態的平臺是組態王，用戶能夠對系統進行實時監控以保證工作在最佳狀態。當總啟動開關打到啟動按鈕時，一次循環泵、二次循環泵、補水泵和三個電機的運行指示燈亮起。系統默認以工頻狀態啟動工作。組態能夠實現對一次側循環泵變頻控制，二次側循環泵變頻控制與補水泵變頻控制，同時能夠顯示一、二次側供水壓力與溫度及循環水流量的變化。一次側循環泵變頻控制，當旋鈕打到工頻時，一次循環泵以50Hz工頻運作，而當二次側供水溫度需要改變時，旋鈕打向變頻，可以通過調節綠色滑塊，對一次循環泵的工作頻率進行調節，以實現對二次側供水溫度的調節。當二次側的供水壓力需要調整時，就需要二次循環泵與補水泵協作完成控制，操作方式與一次側循環泵變頻控制相同。二者可獨立進行控制。組態王仿真界面，如圖3所示。

5結束語

本文針對熱交換站整體系統的控制要求，結合實際情況，設計了一套能進行實時檢測、站內自動控制和報警的監控系統。整個系統包括了監控中心系統、熱交換站自動控制系統，利用PLC配置靈活、編程方便、控制可靠的優點再結合使用變頻器能高效利用資源的特點。使整個系統穩定性有了可靠保障。而通過上、下位機之間的數據傳輸，實現了對整個系統的數據進行實時監控，保證系統能及時發現并處理緊急事件。

作者:溫俊霞 單位:寧夏工商職業技術學院