城市供暖換熱站變頻調(diào)速設計

1城市供暖換熱站變頻調(diào)速設計摘 要 隨著我國供暖技術(shù)以及區(qū)域集中供暖技術(shù)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(shù)的采集監(jiān)控，二次水網(wǎng)采用 PID 恒壓控制，以一次供水流量為被控量，根據(jù)室外溫度選擇最優(yōu)需求熱給定值，通過調(diào)節(jié)一次供水一級泵的頻率，改變一次水供水流量從而改變換熱器供熱量，形成流量內(nèi)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(diào)節(jié)。加入氣候補償，使用變頻調(diào)速技術(shù)控制水泵，既提高系統(tǒng)可控性又產(chǎn)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。關(guān) 鍵 詞 變頻調(diào)速，氣候補償，串級，PLC，PID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(chǎn)、改善人民生活，是加速城市現(xiàn)代化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(wǎng)三個部分組成。集中供暖的供暖溫度調(diào)節(jié)采用自動控制，能夠?qū)崟r地隨室外溫度的變化而自動調(diào)節(jié)供暖參數(shù)，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(chǎn)、方便生活的綜合經(jīng)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(diào)節(jié)不及時、供熱質(zhì)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，設計了換熱站變頻調(diào)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(diào)節(jié)及時、準確。1 總體設計方案換熱站前端經(jīng)一次水網(wǎng)連接供熱源，后端經(jīng)二次水網(wǎng)連接熱用戶。一次水網(wǎng)的流量決定了經(jīng)換熱器交換到二次水網(wǎng)的熱量，而二次水網(wǎng)攜帶的熱即供向熱用戶。而如果靠改變二次水網(wǎng)循環(huán)水流量來實現(xiàn)對供熱用戶的供熱改變，則會造成二次水網(wǎng)中出現(xiàn)欠壓或者過壓的情況，從而影響了供熱質(zhì)量。同時二次水網(wǎng)運行中不可避免的存在水流失而造成欠水欠壓的情況?；谝陨纤龉r，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(zhì)量更加優(yōu)化，本文加入了氣候補償機制，根據(jù)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，本文中設計了人機組態(tài)畫面。1.1 硬件選型根據(jù)換熱站控制的工藝要求，對于換熱站變頻調(diào)速設計主要需要以下硬件：一次水網(wǎng)供回水溫度傳感器，一次水出水流量傳感器；二次水網(wǎng)供回水溫度傳感器，壓力傳感器；城市供暖換熱站變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計2室外溫度傳感器；一次水網(wǎng)循環(huán)泵及變頻器；二次水循環(huán)泵及變頻器；二次水補水泵及變頻器。結(jié)合系統(tǒng)工況，硬件型號選擇如下：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 420mA。變頻器選用西門子 MICROMASTER 420變頻器 V1.1 版本。變頻器與 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 S7-3003 。CPU 采用 CPU 313C-2 DP，結(jié)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。1.2 硬件總體設計結(jié)構(gòu)圖根據(jù)以上硬件，設計如圖 1 所示硬件總體設計結(jié)構(gòu)圖：圖 1 硬件總體設計結(jié)構(gòu)圖2 系統(tǒng)硬件配置2.1 變頻器參數(shù)設置 4 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)，設定相應地址。具體如表 1： 表 1 變頻器參數(shù)設置需設定的參數(shù) 描述上位機組態(tài)畫面二次回水溫度壓力檢測室外溫度檢測一次水一級泵變頻器 二次水循環(huán)泵變頻器 二次水補水泵變頻器西門子 PLC一次供水溫度流量檢測一次回水溫度壓力檢測二次供水溫度壓力檢測profiBUS 總線3P0004 = 20 選擇通訊參數(shù)瀏覽P0918 = 5 一次水網(wǎng)循環(huán)泵變頻器地址P0918= 6 二次水網(wǎng)循環(huán)泵變頻器地址P0918 = 7 補水系統(tǒng)補水泵變頻器地址變頻器硬件配置如圖 2：圖 2 變頻器硬件配置圖2.2 模擬信號設置 系統(tǒng)為排除信號干擾，輸入模擬信號統(tǒng)一采用 420mA 電流信號。420mA 電流測量范圍內(nèi)模擬值的表示如表 2：表 2 420mA 電流測量范圍內(nèi)模擬值的表示系統(tǒng)字十進制 系統(tǒng)字十六進制 420mA 電流27648 6C00 20mA20736 5100 16mA1 1 4mA + 578.7nA0 0 4mA3 控制系統(tǒng)設計3.1 二次水循環(huán)泵 PID 恒壓控制在二次水網(wǎng)供水循環(huán)中，根據(jù)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，如果實際壓力過大或過小，則通過調(diào)節(jié)二次供水的流量改變二次水的壓力，L1L2L3PEMM420 變頻器L1L2L3GND1920UVWGND故障觸點關(guān)閉=正?？偩€西門子 PLCM水泵城市供暖換熱站變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計4再檢測二次供水的壓力，如未達到參考壓值，繼續(xù)調(diào)節(jié)，若達到設定值，則平穩(wěn)運行。系統(tǒng)方塊圖如圖 3：圖 3 二次供水恒定壓力控制系統(tǒng)方塊圖3.2 補水控制。本設計以二次水網(wǎng)回水壓力作為補水泵的檢測信號，補水泵的運行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：圖 4 補水系統(tǒng)恒定壓力控制系統(tǒng)方塊圖3.3 一次水網(wǎng)控制3.3.1 氣候補償本設計為使供暖控制更加及時準確，控制質(zhì)量更高，加入了氣候補償機制 5。本設計采用經(jīng)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(jīng)驗值表。提供系統(tǒng)參考的預設經(jīng)驗熱值。3.3.2 串級控制一次水網(wǎng)的調(diào)節(jié)中，以經(jīng)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(wǎng)，即熱用戶供熱的調(diào)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(jīng)熱量流量轉(zhuǎn)換，作為內(nèi)環(huán) PID 控制器的參考值。流量傳感器檢測一次水網(wǎng)中參考壓力實際壓力偏差值控制器 變頻器 循環(huán)泵壓力傳感器給定壓力實際壓力偏差值控制器 變頻器 循環(huán)泵壓力傳感器5的水流量作為控制量與參考值作比較，經(jīng)副控制器調(diào)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(nèi)環(huán)流量環(huán)的串級控制系統(tǒng)。系統(tǒng)方塊圖如圖 5：圖 5 一次水網(wǎng)串級控制系統(tǒng)方塊圖4 人機畫面組態(tài)4.1 總畫面本 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(jù) 當 前 的 自 動 化 技 術(shù) 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(chǎn) 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 數(shù) 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：圖 6 主畫面4.2 氣候補償畫面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經(jīng)驗熱實際熱量偏差值 主控制器 變頻器循環(huán)泵溫度傳感器溫熱轉(zhuǎn)換副控制器流量傳感器城市供暖換熱站變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計6供熱的相互關(guān)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（-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：圖 7 氣候補償曲線圖4.3 數(shù)據(jù)庫畫面系統(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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫功能，即能夠?qū)崟r將溫度與供熱數(shù)據(jù)記錄，以備之后調(diào)用，做數(shù)據(jù)支撐。數(shù)據(jù)庫內(nèi)容包括，日期、時間、室外溫度、供熱量。點擊“插入數(shù)據(jù)” ， “數(shù)據(jù)查詢” ，數(shù)據(jù)表則實時顯示從上次記錄到此時的所有運行數(shù)據(jù)，同時數(shù)據(jù)備份到數(shù)據(jù)庫表中，方便數(shù)據(jù)存檔及永久調(diào)用。具體畫面如圖 8：7圖 8 數(shù)據(jù)庫畫面4.4 趨勢圖畫面本設計全系統(tǒng)分三大循環(huán)。一次水網(wǎng)中采用串級控制，即有主、副控制器。二次水網(wǎng)中有恒壓控制，補水網(wǎng)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(shù)可以通過人機畫面直接修改設定，當設置不同的控制參數(shù)，系統(tǒng)產(chǎn)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(shù)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：城市供暖換熱站變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計8圖 9 系統(tǒng)趨勢圖畫面5 結(jié)論與展望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(jié)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(diào)節(jié)、氣候補償?shù)玫搅藴蚀_的檢測和精確及時的控制。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(jié)合了經(jīng)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(diào)節(jié)質(zhì)量更優(yōu)以及適用范圍更加普遍的控制系統(tǒng)是未來研究的課題，比如氣候補償與添加室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)、風力和濕度參數(shù)影響調(diào)節(jié)相結(jié)合等。9Abstract With the development of Chinas heating technology as well as district heating technology, heating system for heat control requirements have become more 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 real time as the outdoor temperature changes for the heat, but also has significant energy efficiency. Automatic control theory, by using the PLC to complete a water temperature of the heat transfer station traffic, secondary water temperature and pressure as well as outdoor temperature and other parameters of the acquisition monitoring, secondary water network with the PID constant pressure control, to a water flow control volume, according to the outdoor temperature and select the optimal demand heat given value, by adjusting a water level pump frequency, changing the water once the water flow thereby changing the heat exchanger for heat, the formation of the inner loop flows, the heat of the outer ring cascade control systems, thereby to achieve the regulation of the heat supply. Add to climate compensation, the use of frequency control technology to control the pump, both to improve the system controllability and produce energy-saving effect is very significant, significant energy efficiency and broad application prospects.Key words Heat transfer stations, frequency control, climate com