无人值守换热站电控自控系统设计与应用
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[摘要]目前供热已成为一种特殊形式的商品，供热成本关系到供热公司的效益，供热质量关系到广大用户的利益，如何通过技术手段达到既降低能耗又能为用户提供优质的供热服务是我们要探讨的课题。本文通过张店区御景国际小区换热站采用新型供热方式、设备和系统，阐述了无人值守提高换热站自动化程度，节省人力、便于热量的调节、提高供热效率和水平，节省能源。论证了无人值守自动控制系统从节能控制效果、自动化程度、系统运行的安全性和稳定性及所带来的维护和管理上的便利性都大大超过传统的供热方式。因此，无人值守换热站已成为集中供热发展的必然趋势。
[关键词]
无人值守换热站变频调速PLC 触摸屏
中图分类号： U264.91+3.4 文献标识码： A 文章编号：
一、前言
能源问题已成为全球普遍关注的热点话题，世界各国对能源都十分关注。我国建筑能耗与发达国家相比明显过高，因此采用新型供热方式、设备和系统，节能减排，是解决我国能源相对紧张和环境污染的有效途径。集中供热对于节约能源、减少污染、提高人民生活水平发挥了巨大作用。通过无人值守换热站自控系统的建设，能极大地提高供热企业的管理水平，并通过优化换热站的节能控制运行策略，为供热企业节省大量的煤耗、电耗，创造巨大的经济效益。
无人值守换热站，采用高效的板式换热器，设备采用触摸屏、变频器、可编程控制器等现代先进技术，实现了智能化自动控制。可编程控制器通过对一次网电动调节阀的调节，二次网循环泵、补水泵变频器的控制，实现了多种供热模式的自动运行。供热的调节模式有改变二次网供水温度的质调节，改变二次网供水流量的量调节，改变温度和流量的联合调节几种模式。
二、变频调速技术在无人值守换热站中的应用
变频器作为节能应用中越来越重要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。目前，随着大规模集成电路和微电子技术的发展，变频技术已经发展为一项成熟的交流调速技术。变频器作为该技术的主要应用产品经过几代技术更新，日趋完善，用在换热站水泵调速控制系统中具有软启动功能，操作方便，减少了对电网的污染，节约电能。
1、变频调速技术的基本原理
变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：
n =60 f（1-s）/p，
式中n表示转速、f表示输入频率、s表示电机转差率、p表示电机磁极对数；通过改变电机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理采用交-直-交电源变换技术、电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。
变频调速系统的控制方式包括V/F、矢量控制(VC)、直接转矩控制(DTC)等。V/F控制主要应用在低成本、性能要求较低的场合；矢量控制主要是变频调速系统在高性能场合的应用。近年来随着半导体技术的发展及数字控制的普及，矢量控制的应用已经从高性能领域扩展至通用驱动及专用驱动场合半导体技术的飞速发展，MCU的处理能力愈加强大，处理速度不断提升，变频调速系统完全有能力处理复杂的任务，实现复杂的观测、控制算法，传动性能也因此达到前所未有的高度。
应用变频调速，可以大大提高电机转速的控制精度，使电机在最节能的转速下运行。以水泵为例，根据流体力学原理，轴功率与转速的三次方成正比。当所需水量减少，泵转速降低时，其功率按转速的三次方下降。因此，精确调速的节电效果非常可观。采用变频调速，可大大提高轻载运行时的工作效率。故变动负载的节能潜力巨大。由于变频调速可以实现电机无级调速，在换热站中得到广泛的应用。
2、变频器在无人值守换热站循环泵、补水泵电机控制的应用及其发挥的作用
在工业控制领域，变频调速普遍使用于各种调速系统中，它具有体积小、重量轻、安装操作简单、数据可靠、性能稳定、节电效果显著等特点。用在换热站的水泵调速控制系统具有软起动功能，减少了对电网的污染。同时，单台变频器既可用于多台水泵软起动又可用于对某台水泵调速。这样既可减小设备的投入，又可以减小电机起动对电网的冲击电流影响，完全提高工作效率，减少设备和人力资源的浪费。大功率循环泵起动时的急扭和突然停机时的水锤现象，往往容易造成管道松动或破裂，严重的可能造成电机的损坏，且电机起动、 停止时需开启、关闭闸阀来减小水锤的影响，操作工作强度大。在循环泵安装变频调速器以后，可以根据工艺的需要，使电机软启、软停，从而使急扭及水锤现象得到解决。而且在流量不大的情况下，可以降低泵的转速，一方面可以避免水泵长期工作在满负荷状态，造成电机过早的老化，而且变频的软启动大大的减少水泵启动时对机械的冲击。
变频调速在换热站系统中主要应用在水泵调速，调速的机械性好，调速范围广，调速特性曲线平滑，可以实现连续、平稳的调速，还可以获得显著的节能效果。
御景国际换热站分为低层和高层。低层共有三台110KW循环水泵，其中1#、2#循环泵采用变频一拖二方式，3#循环泵采用变频控制。高层共有两台18.5 KW循环水泵，采用变频一拖二方式。高低层各有补水泵两台，一用一备，一台采用变频控制，参与自动控制，当变频补水泵故障，使用另一台常规控制，不参与自动控制（所有手动控制的备用方式为按钮操作）。
御景国际换热站高低层循环泵控制原理图如下图所示。
在换热站循环泵使用了变频调速技术后，不但减少了许多繁琐的人工操作，不安全隐患因素，并使系统始终处于一种节能状态下运行，延长了设备的使用寿命，更好的适应了生产需要。而且这种变频技术丰富的内部控制功能可以很方便地与其他控制系统实现闭环自动控制，因此具有很好的使用价值。
循环泵变频器接线图如下。
1、自控系统控制原理概述
无人值守换热站监控系统是集计算机技术、自动控制技术、通讯技术及测控技术于一体，针对换热站进行监控的信息化管理平台。系统能够对换热站温度、压力、流量、开关量等信号进行采集测量、控制、远传，实时监控一次网、二次网温度、压力、流量，循环泵、补水泵运行状态及水箱液位等各个参数状态，进而对供热过程进行有效的监测和控制。系统主要分三个基本控制部分，以下分别叙述御景国际换热站的控制方式。
2、一次供水流量自动控制策略
一次供水流量控制根据二次供水温度自动调节的方式，同时结合室外温度补偿功能和时间修正，根据室外温度的变化自动调节二次供水温度。
3、循环泵自动控制策略
目前循环泵控制有两种办法：一是根据二次供水压力或二次供、回水压差来控制，这种方式适合于比较大的供热系统；二是根据二次回水温度或二次供、回水温差来控制，这种方式适合于较小的供热系统。本文中，御景国际换热站循环泵变频控制采用二次供、回水压差控制方式，即供、回水压差低于设定值时，循环泵加速运行，大于设定值时减速运行，调节管网流量，以达到节能的目的。
4、补水泵自动控制策略
补水泵控制采用变频恒压补水控制技术。通过安装在二次回水管路上的压力传感器来测量回水压力，将此测量值与系统的补水压力设定值相比较，通过控制系统自动调节补水泵的转速，使系统的回水压力与设定压力一致，达到恒压补水的目的。