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PLC在换热站远程控制系统中的应用

2019-06-09 09:59 出处:未知 人气: 评论(

  集中供热因具有节约能源和改善城市环境等方面的积极作用,而日益成为城市公用事业的一个重要组成部分,在城市集中供热系统中,换热站作为热网系统面对系统热用户最后一级调节单元,换热站的控制效果直接决定热用户的采暖效果。因此长白岛集中供热热网的各个换热站都进行自动控制化的控制。对于所有的换热站,统一增加自控仪表、PLC及变频设备,对于新建的换热站,在设计时即在工艺系统基础上引入自控设备。自控系统辅助将换热站的控制精确化,结合热网指挥中心全网平衡系统及指挥调度通讯网络系统,进行全网均匀调节,达到较好的控制效果。本文着重介绍PLC在换热站远程控制系统中的应用。

  一、换热站自控系统构成

  间连型换热站自控系统按设备类型分,可分为:温度、压力变送器、流量计、电动调节阀、循环泵及补水泵。按控制回路分,则可分为:一次网流量控制回路、二次网循环控制回路、二次网定压回路。在换热站自控系统中,一次网流量控制回路主要通过调节一次回水调节阀来实现。二次网的调节回路则是通过调节二次网循环泵及补水泵转速来实现。换热站的所有控制指令主要由热网指挥调度中心根据全网平衡算法下发,而二次网循环泵及补水泵变频器转速则由站内PLC系统依据各换热站所带热网的实际情况计算得出。

  二、系统控制思想

  在集中供热工程中由于各用户的建筑面积、暖气片性能及房屋保温质量各不相同,很难确定一组典型的室内温度作为直接被控量,而供、回水的平均温度从整体上反映了各用户暖气片的平均温度,因此一般的供热系统都是根据室外环境温度及不同的供热时段来控制供、回水平均温度的方法来间接控制用户室温。

  在长白岛各热网控制中,由于在进行换热站自控设计的同时,对热网调度系统也进行了加强。目前长白岛热源厂热网指挥调度中心应用了全网平衡系统,调度中心通过基于乙太网的SCADA系统通过互联网与各换热站进行通讯,获取热网数据,并根据室外温度情况对全网换热站的供热效果进行均匀调整。

  各换热站从指挥调度中心获取对应的二次网供回水平均温度,站内系统将独立控制回路分为二次网供回水平均温度控制回路和一次网流量控制回路,根据平均温度的偏差确定一次网流量的设定值,然后调节阀门开度使流量达到设定值。

  站内的控制系统还根据换热站的实际情况对二次网循环泵及补水泵进行调速,系统根据二次网供、回水平均温度的温差,通过变频器调节循环泵的转速,实现对系统总流量和温度的调节。使循环水泵按照实际负荷输出功率,减少不必要的电能损失,实现小流量大温差的运行模式。通过此举,可以及时地把流量、扬程调整到需要的数值上,消除多余的电能消耗,从而达到良好的节能效果。通常热力系统会设计两台变频泵,这不仅是为了系统备用,也是为了防止系统超调。如果负荷不够,则泵的转速加大,达到100%时还不满足要求,则启动第二台泵。同时系统还可以根据运行时间自动切换各循环泵,也提供低水压保护和连锁功能。

  控制系统的二次网供、回水压力是热网安全运行的重要参数。供水压力过高可能造成热水管道及用户暖气片的破裂,供、回水压力过低,使得部分热用户无法的到足够热量,恒压控制的最佳方案是对补水泵进行变频调速控制,但考虑此处对压力的稳定性要求并不高,只要压力不超出某一范围即可,所以也可以采用开关补水控制方案。

  三、系统选型及特点

  1、我们选用ABB公司AC500的可编程控制器(PLC)和CP440触摸屏构成的现场远程终端单元(RTU),ACS510和ACS800两种型号的变频器再配以先进的ForceControl6.1监控软件,利用SCADA系统和互联网来实现换热站远程控制的各项功能控制。AC-500PLC采用模块化结构、适合密集安装,模块化结构设计使得各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。在一块机架底板上可安装电源、CPU、I/O模板、并且可以通过接口模块实现多个机架的扩展工作方式。

  2、系统的特点:当前可编程控制器(PLC)是专为工业环境下应用而设计的工业控制计算机,已经成为电气控制系统中应用最为广泛的核心位置,它不仅能实现复杂的逻辑控制,还能完成各种顺序或定时的闭环控制功能,并且抗干扰能力强、可靠性高、稳定性好、体积小,能在恶劣环境下长时间、不间断运行,且编程简单,维护方便,并配有各类通讯接口与模块处理,可方便各级连接。在换热站远程控制中PLC起着执行命令的重任。

  四、换热站自控系统中PLC的应用

  一、热网运行中上位机以标准的工业控制计算机(IPC)作为主要的人机界面(HMI),为生产管理级,完成对下位机的监控、生产操作管理等,主要面向操作人员;下位机由可编程控制器(PLC)构成,为基础测控级,完成生产现场的数据采集及过程控制等,面向生产过程。所以换热站内的PLC为下位机控制。主要控制如下:

  1、一次网回路控制:换热站的一次网回路控制,主要是热负荷控制。通过控制调节一次网回路上的电动调节阀,来调节流过换热站的一次网热水的流量。在全网控制系统中,全网控制中心根据目前室外温度情况,参考热源的运行情况及各换热站反馈的二次网运行数据,计算出各换热站一次网控制阀门的开度指令或二次网目标控制温度。换热站自控系统根据全网控制中心下发的指令,控制信号通过网络输入到PLC中,从而调节一次网流量调节阀阀门开度,从而实现全热网的热资源均匀分配。

  2、二次网循环泵控制:换热站系统二次网循环泵是通过变频器来调速。远程控制中,变频器的参数命令通过PLC向变频器发出,传统换热站系统循环泵通常采用工频泵,循环泵选定后,换热站二次网的流量无法进行调整,从而造成换热站系统无法根据室外温度及实际供热需求来调整,造成热力及电力资源的浪费。而且大功率的工频泵在起停时会对电网造成冲击。目前,换热站自控系统中的循环泵普遍使用变频器控制。一般的循环泵均采用压差控制方式,即循环泵的转速受二次网供回水压差调整。压差控制的方式可以通过调节循环泵转速,调节二网流量以满足供热需求,从而减少浪费。在换热站循环泵控制中,我们采用供回水温差结合供回水压差控制的方式。

  3、二次网定压补水控制:二次网的补水控制采用的是定压控制,传统换热站中往往采用压力表电节点控制。随着城市集中供热的发展,系统的热负荷越来越大,换热站系统所带的供暖面积都比较大,并且供热网条件不一,二网系统的水力损失较大。严重的水力损失使得二次网的补水系统压力加大,补水频繁。而传统的工频补水泵的频繁起停,容易造成二次管网压力的波动。在热负荷较大的系统中,我们采用补水泵变频控制,对补水系统进行精确的微调。当系统失水时,二次网压力下降,指挥调度中心会给PLC发出一个补水命令,PLC调节变频器参数控制补水泵以一定的转速进行补水,补水泵的转速根据当前压力与目标压力的差值均匀调整,从而避免补水泵在启动和停止时对二次网系统的冲击。

  4.现场人机界面:在现场人机界面上,触摸屏和PLC是通过VPN相连接的,可以通过RTU上的触摸屏控制PLC来任意调节系统所需的各种运行状态,例如:一、二次网供回水温度及温差,变频器最大最小运行频率等,并可随时查阅以往运行记录。根据用户要求可将当前参数以画面、曲线、报表的形式在屏幕上显示。

  二、下位机(PLC)采集的现场数据通过网络反馈给上位机,上位机选用力控组态软件,与数据库结合起来,对所有数据进行存储和分析,并可以配合优化软件进行优先控制。主要包括以下几个方面的内容:

  (1)工艺流程图:在画面中通过编程实现模拟显示整个换热站现场进水供水的全过程,并且在换热器本体上实时显示了各路水的温度与压力,以便于操作者能及时准确的掌握本体内的换热情况,能够对现场设备的故障进行实时诊断。

  (2)手操器的操作与对现场仪表的监控:手操器有手动和自动两种工作方式,在设备安装调试阶段一般用手动操作方式,进入正常运作时常用自动方式,以实现对一些重要的模拟量数据的精确控制,自动调节程序由PID闭环控制回路完成。

  (3)报警记录:对于如进水流量、供水压力等一些重要的模拟量输入参数进行实时报警,当处于监控下的任何一个变量超出预先设定的安全值时,报警灯就会立即闪烁,同时通过报警一览表对话框可以检查报警超出的范围以及错误的出处,并对此采取相应的措施。

  (4)历史趋势:在此画面中除了实时显示变量的变化趋势,操作员还可以检查过去的过程数据记录,通过对过去历史趋势的比较进而可以对变量未来的发展趋势做进一步的预测。另外,还具有报警或变量记录档案库数据的运行报表。

  (5)摄像监控:通过摄像及图像采集设备对图像的处理,使操作人员通过视频窗口实时监控现场设备运行状况。

  五、PLC在换热站远程控制中的优点

  1控制功能部分:控制功能在控制站完成,且控制器具有自适应控制功能,即使上位机出现故障,控制器也可根据室外温度完成控制功能。在控制器组态过程中,通过PLC内部程序的运算和逻辑功能可以设置多种控制方式,调度人员根据管网的实际运行及天气情况,可以在上位机软件中自由切换。PLC对采集到的数据进行分析,根据不同的控制方式对现场设备进行控制和调节,比如阀门开度、电机启停等,在整个控制过程中形成一个良好的封闭回路

  2、网络通信功能:PLC可同时支持2个以上的通信口,可利用各通信口组建控制网络,把多台小型PLC组进同一个现场总线网络内,主控PLC上可连接一个GPRSDTU模块,为监控网络提供透明的上网通道。选用GPRSDTU代替无线RTU可以大大降低成本,在敷设了电话线的地方可选用Modem,使整个系统的造价达到最优。

  3、CPU模块功能:PLC的CPU模块是16路数字量输入和16路晶体管输出的CPU模块,本身带有两个通信口,内部带MODBUS主从通信协议和FREE通信协议,可以与各种HMI或者各种组态软件通信,通信协议库文件使各厂商自行开发上位机软件提供了诸多便利。自带FLASH存储器,可将各种参数存储在本地,还带有掉电保持功能,从而保证使用的可靠性和便利性。高速运算速度和完备数学运算能力使其更适合通信和模拟量处理环境。

  4、抗干扰能力强:整个系统的宽温和宽电源供电设计使其可以在恶劣的环境中游刃有余。从而满足恶劣环境下的自动化控制。

  5、编程简单方便:PLC的编程语言支持六种,可以方便编程。同时,支持在线编程,也就是在运行态下可以进行程序修改和调试,为监控现场的在线升级和扩展提供方便。

  6、性价比高:PLC比其他同样点数的数采模块具有价格优势,而且其图形化编程功能使其成为一个强有力的分布式监控平台。

  在换热站中使用可编程控制器,充分发挥可编程控制器配置灵活、控制可靠、编程方便的优点,使整个系统的稳定性有了可靠保障。通过换热站自动控制系统的投运,过去主要依靠人工调节的控制手段得到了彻底改善,热网的运行得到合理控制,失调现象得到了有效地解决,消除了热网中各站冷热不均的现象。按需供热、节能降耗,改变了不合理的小温差大流量运行方式,既保证了远端客户的供热需要又避免了近端用户的过热现象直接提高了热网的供热效果。

  六、PLC的发展前景:

  PLC的出现目的是用来取代继电器,执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能,建立柔性程序控制系统。PLC是一种数字控制专用电子计算机,它使用了可编程序存储器储存指令,执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能,并通过模拟和数字输入、输出等组件,控制各种机械或工作程序。经过30多年的发展,PLC已十分成熟与完善,并开发了模拟量闭环控制功能。无论从功能已经价格上PLC在自控系统中的地位似乎已被确定并无多少争论。PLC作为一个站挂在高速总线上。充分发挥PLC在处理开关量方面的优势。因此在这些的工艺过程多以顺序控制为主的系统中。PLC对于顺序控制有其独特的优势。因此在工业自控系统中PLC将更广泛的被应用。

  结束语:

  换热站自控系统中PLC采集现场每个换热子站的温度、压力、流量,并根据采集数据进行供热流量的控制,以达到节能的目的。根据室外气温的变化,通过调节一级管网电动阀门的开度来及时控制二级管网的回水温度,通过调度给定的控制曲线,保证每个换热站的运行参数始终在给定的范围内。同时,中央监控室根据需要调度和遥控子站的电动阀门,调整运行参数。可以实现温度的控制、补水泵变频的远程控制。上位机选用力控组态软件,与数据库结合起来,对所有数据进行存储和分析,并可以配合优化软件进行优先控制。使计算机技术与自控技术更完美的结合起来。

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