基于研華模塊與組態(tài)軟件MCGS實現(xiàn)熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

引言

集中供熱具有節(jié)約能源和改善城市環(huán)境等方面的積極作用，而且日益成為城市公用事業(yè)的一個重要組成部分。隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市集中供熱的壯大，科學(xué)管理熱力管網(wǎng)具有重大的經(jīng)擠效益和社會效益。

換熱站是連接供熱站和用戶極為重要的環(huán)節(jié)，不僅其工作的安全性、可靠性直接影響鍋爐的安全性及供熱質(zhì)量，而且對提高其工作效能還具有十分重大的節(jié)能意義。連接于熱源和熱用戶之間的供熱系統(tǒng)是整個集中供熱系統(tǒng)的重要組成部分。

1 熱水交換站介紹

換熱站又稱熱力站，其主要是將一次網(wǎng)的熱量通過換熱器進(jìn)行熱交換后，將二次網(wǎng)熱水送到各個熱用戶，從而達(dá)到供暖的目的。利用先進(jìn)的工業(yè)自控技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)構(gòu)成的換熱站及遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)，對熱力系統(tǒng)實施更科學(xué)、更規(guī)范的監(jiān)控管理，提高中央調(diào)度室的監(jiān)控能力，具有非常巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

居民小區(qū)的供熱系統(tǒng)主要包括小區(qū)的熱水管網(wǎng)和熱力站，熱水管網(wǎng)又分為一次網(wǎng)與二次網(wǎng)，一次網(wǎng)是指連接于城市管網(wǎng)與熱力站之間的管網(wǎng)，二次網(wǎng)是指連接于熱力站與熱用戶之間的管網(wǎng)，熱力站是指連接于一次網(wǎng)與二次網(wǎng)并裝有相關(guān)設(shè)備、儀表和控制設(shè)備的機房，是熱量交換、熱量分配以及系統(tǒng)監(jiān)控和調(diào)節(jié)的樞紐，它用于調(diào)整和保持熱媒參數(shù)（壓力、溫度和流量），使供熱、用熱達(dá)到安全經(jīng)濟運行，也是計量供熱系統(tǒng)能夠正常運行的重要組成部分。

換熱站主要構(gòu)成：熱水交換器、二次熱水循環(huán)泵、補水泵管、網(wǎng)中各種閥體、傳感器及儀表。

2 現(xiàn)狀及改造控制方式

目前換熱站大多采用人工測溫，現(xiàn)場儀表，人工手動控制調(diào)節(jié)閥，設(shè)備簡單，方式落后，這樣既浪費人力，又在出現(xiàn)事故隱患時難以發(fā)現(xiàn)，丟水、漏水不斷發(fā)生，易造成熱力失衡，影響供熱效果，從而造成能源的極大浪費。水力失調(diào)現(xiàn)象難以清除，使用戶冷熱不均，發(fā)生事故時不能及時報警，影響供熱系統(tǒng)的可靠運行，并且各站之間難以統(tǒng)一調(diào)度，容易造成熱力失衡，不能做到最大限度能源利用。

本系統(tǒng)是對我市某區(qū)的十個傳統(tǒng)換熱站進(jìn)行的改造工程。使用一臺計算機作為上位機，通過無線通信。對十個換熱站的工作狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。換熱站現(xiàn)場采用北京研華公司的4000系列數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、MCGS組態(tài)軟件實現(xiàn)工況監(jiān)測、故障保護(hù)及事故報警。正常情況下，上位機的監(jiān)控人員根據(jù)上傳數(shù)據(jù)可實時通過上位機對該站的水泵進(jìn)行起停控制，實現(xiàn)換熱站的無人值守。

圖 1 換熱站管網(wǎng)系統(tǒng)圖

2．1 系統(tǒng)功能介紹

換熱站計算機監(jiān)控系統(tǒng)按照功能可分為兩部分：上位機（監(jiān)控中心）和下位機（本地現(xiàn)場控制）。

2．1．1 上位機主要功能

（1）巡回檢測各換熱站及泵房的實時參數(shù)，包括各站每臺泵的工作狀態(tài)、過載狀態(tài)、泵電流，各站二次側(cè)回水壓力、出水壓力、回水溫度、出水溫度、水位等。

（2）接收和記錄下位機傳來的報警信號，包括電源掉電，火警信號。

（3）遠(yuǎn)程開、關(guān)泵操作?？煞謩e對各站每臺泵單獨進(jìn)行起、?？刂撇僮?。

（4）使用曲線圖、表格方式顯示實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)以及表格打印。

2．1．2 下位機主要功能

（1）現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和處理，發(fā)出執(zhí)行動作信號，與上位機交換信息。

（2）一次側(cè)回水溫度、出水溫度、回水壓力、出水壓力監(jiān)測。

（3）二次側(cè)各泵電流的監(jiān)測及電流超高、低限時自動停泵。

（4）二次側(cè)水位監(jiān)測。超高、低限報警。

2．2 硬件實現(xiàn)

針對我市某換熱站項目改造，采用研華數(shù)據(jù)采集控制模塊，實現(xiàn)換熱站各個數(shù)據(jù)采集，通過MCGS組態(tài)軟件實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)控及控制。

2．2．1 研華模塊

目前基站控制，多采用PLC控制方式，小型PLC多為I／O口，通常無A／O口，通訊功能差。中型PLC通常為機架組合式，造價高，采用研華數(shù)據(jù)模塊4017，4022T可以最大性價比實現(xiàn)此要求：

（1）4017 8路模擬量輸入模塊

16位分辨率；8路差分輸入；輸入類型：mV，V，mA；隔離電壓：3 000 Vde；支持Modbua／RTU控制；支持4～20 mA。

數(shù)據(jù)采集如下：一、二次側(cè)的進(jìn)出水溫度，一、二次側(cè)的進(jìn)出水壓力，一、二次側(cè)的進(jìn)出水流量等。

（2）4022串行雙回路PID控制器

通道數(shù)：4、輸入類型：熱電偶，mA，V，熱電阻、輸入范圍：0～20 mA，4～20 mA，O～10 V、內(nèi)置看門狗定時器。

系統(tǒng)中采用二次網(wǎng)供水溫度作為反饋控制一次網(wǎng)調(diào)節(jié)閥的開度，二次網(wǎng)供水溫度可以在上位機的設(shè)定窗口中設(shè)置，在4022T模塊的控制下，實現(xiàn)PID控制進(jìn)行換熱器網(wǎng)供水入口的調(diào)節(jié)閥開度控制。

2．2．2 MCGS觸摸屏組態(tài)軟件

在組態(tài)軟件的控制下，通過對室外溫度、二次回水溫度進(jìn)行采集，計算出二次供水溫度，依此對循環(huán)泵的流量進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)穩(wěn)定供熱。

采用變頻調(diào)速技術(shù)控制循環(huán)泵的流量，實現(xiàn)對供熱流量的調(diào)節(jié)，可達(dá)到節(jié)能的目的。供熱系統(tǒng)在運行中管網(wǎng)失水是不可避免的，如果不進(jìn)行及時補水，不僅會造成管網(wǎng)壓力下降，還造成整個供熱系統(tǒng)不能正常運行。系統(tǒng)的補水部分由壓力傳感器對管網(wǎng)的水壓進(jìn)行測量，并與給定的壓力值進(jìn)行比較，根據(jù)二者的偏差對補水泵進(jìn)行 PID控制，保證供水壓力恒定。

2．3 節(jié)能分析

在控制系統(tǒng)的穩(wěn)定調(diào)節(jié)性能的配合下這些節(jié)能措施的功效得到了充分的發(fā)揮。具體比較分析如下：

從表l中看出隨著熱負(fù)荷的下降節(jié)能效果愈發(fā)明顯，這主要由于研華數(shù)據(jù)采集控制模塊準(zhǔn)確采集管網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過PID控制合理調(diào)整調(diào)節(jié)閥開度，在低熱負(fù)荷狀態(tài)下可以節(jié)約大量的熱能經(jīng)濟效益顯著。

3 結(jié)論

本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)換熱站現(xiàn)場運行工況的實時在線監(jiān)控，研華數(shù)據(jù)采集控制模塊和觸摸屏的結(jié)合，幫助運行管理人員及時準(zhǔn)確地了解現(xiàn)場運行工況、調(diào)整運行參數(shù)，實現(xiàn)按需供熱，提高供熱質(zhì)量，節(jié)約能源，從而提高了整個系統(tǒng)運行的安全性，穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，在城市集中供熱系統(tǒng)具有廣泛的推廣價值。