自動化控制換熱系統(tǒng)分析及應(yīng)用

一、應(yīng)用環(huán)境概述
某熱電公司主要負(fù)責(zé)該地區(qū)企業(yè)及生活的居民提供能源服務(wù)，系統(tǒng)全部投運(yùn)后可滿足
1.8Km2 范圍內(nèi)近200 萬m2 各類建筑的生產(chǎn)﹑生活﹑供熱﹑制冷用蒸氣。采用0.6MPa 的飽
和蒸氣為基本熱力工作介質(zhì)：冬季做為各用戶暖氣系統(tǒng)的熱源，通過換熱器(多數(shù)為板式換熱
器)的工作使暖氣系統(tǒng)的循環(huán)水達(dá)到控制的溫度；夏季以0.6MPa 的飽和蒸氣通過溴化鋰制冷
機(jī)(多數(shù)為蒸氣型雙效式)的工作循環(huán)滿足用戶的舒適性及冷氣空調(diào)的要求。
1、熱源
該公司供熱場鍋爐房包括4臺35 噸/時﹑1.57MPa 飽和蒸氣鍋爐和3臺10 噸/時﹑
1.25MPa 飽和蒸氣單層布置組裝式飽和蒸氣鍋爐，總安裝容量170 噸/時。主輔鍋爐房分別
安裝有鼓引風(fēng)機(jī)﹑給水泵﹑除塵器以及水處理設(shè)備。
2、區(qū)域熱力管網(wǎng)
該區(qū)域內(nèi)環(huán)形布置了一套區(qū)域供熱管網(wǎng)，全長5.2Km，由于兩根蒸氣管對供熱(制冷)負(fù)
荷變化的適應(yīng)性還是對提高供氣的可靠性方面都較為有利故蒸氣采用雙母管制。為節(jié)約能源
確保蒸氣凝結(jié)水的回收，在熱力管網(wǎng)內(nèi)同時布置了一根冷凝回水管，要求各蒸氣用戶采用閉
式回水系統(tǒng)利用凝結(jié)水泵進(jìn)行冷凝水的回打，并保證冷凝回水率不低于80%。
3、換熱制冷站
蒸氣進(jìn)入換熱制冷站點(diǎn)后經(jīng)減壓閥送入換熱制冷設(shè)備，夏季由溴化鋰吸收式制冷機(jī)組產(chǎn)
生7～12℃冷水，用冷凍水泵通過管道供給空調(diào)機(jī)組或風(fēng)機(jī)盤管及新風(fēng)機(jī)組等末端裝置，站
點(diǎn)內(nèi)配備凝水泵﹑補(bǔ)水泵﹑凝水水箱﹑補(bǔ)水水箱和軟化水裝置，在樓頂設(shè)置冷卻塔；冬季由
板式換熱器制備55～70℃熱水，用暖氣循環(huán)水泵通過管道供給風(fēng)機(jī)盤管及新風(fēng)機(jī)組(部分系
統(tǒng)末端采用散熱器)，換熱站內(nèi)配備軟化水裝置用以儲備軟化水供取暖系統(tǒng)循環(huán)水使用，在頂
層設(shè)置膨脹水箱，出現(xiàn)各類原因造成系統(tǒng)出現(xiàn)水壓不足(主要表現(xiàn)為膨脹水箱液位降低)需要
啟動補(bǔ)水泵自補(bǔ)水水箱(某些系統(tǒng)補(bǔ)水箱與凝水箱共享)進(jìn)行補(bǔ)水，當(dāng)凝水水箱水位達(dá)到一定
值時，啟動凝水泵向熱網(wǎng)進(jìn)行凝水回打。
這樣一來，整個基地只需一套單一熱力介質(zhì)的生產(chǎn)輸送系統(tǒng)配合各冷暖氣站的二次系統(tǒng)
便可滿足企業(yè)及生活區(qū)居民的多方面需求，根據(jù)冷暖氣負(fù)荷在冬夏兩季的不同而分別運(yùn)行一
種爐型，鍋爐的利用率較高，同時也便于相互備用以確保安全運(yùn)行。而各冷暖氣站的設(shè)備型
號﹑運(yùn)作流程則各異，設(shè)計(jì)選用設(shè)備的不恰當(dāng)會造成運(yùn)行管理的困難，而運(yùn)行管理的困難則
直接影響到設(shè)備的使用壽命﹑運(yùn)作的安全穩(wěn)定等，在發(fā)現(xiàn)各冷暖氣站的不完善情況下，予以
分析﹑解決，在運(yùn)行管理中提高設(shè)備的使用效能，使設(shè)備長期安全可靠﹑高效能的運(yùn)行成為
基地能源服務(wù)人員的重要課題。因此，該公司對系統(tǒng)進(jìn)行自動化改造。

二、系統(tǒng)原理
本系統(tǒng)為現(xiàn)場實(shí)時測控系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，，它對測量數(shù)據(jù)的處理以及控制算法都是以數(shù)字計(jì)算為基礎(chǔ)，通過軟件實(shí)現(xiàn)的。同大多數(shù)計(jì)算機(jī)化監(jiān)控系統(tǒng)一樣，主體部分傳感器﹑現(xiàn)場采集模塊﹑GPRS模塊及工業(yè)平板電腦﹑主控計(jì)算機(jī)﹑遠(yuǎn)程監(jiān)控中心等部分組成。
1﹑工業(yè)平板電腦﹑主控計(jì)算機(jī)：是計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，它的主要特性如下：
1)主控計(jì)算機(jī)的工作過程完全由預(yù)先編制的軟件決定，而常規(guī)儀表是由電子邏輯電路或其它
機(jī)械硬件邏輯實(shí)現(xiàn)，控制管理功能是由軟件還是由硬件實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)控制與常規(guī)儀表控制的
主要區(qū)別。
2)本系統(tǒng)運(yùn)行以VC 編制的程序，將各種輸入信號通過數(shù)據(jù)總線直接接到計(jì)算機(jī)輸入端口，
從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制管理保護(hù)功能，而不是像常規(guī)儀表控制器由各自獨(dú)立的一對一的單
回路控制或保護(hù)電路構(gòu)成，如此主控計(jì)算機(jī)就有可能全面考慮控制對象的各種參數(shù)，對其進(jìn)
行統(tǒng)一的系統(tǒng)性的控制﹑保護(hù)及管理。
3) 工業(yè)平板電腦便攜，簡單，實(shí)用，多應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場附近。內(nèi)置WinCE ,Linux 嵌入式操作系統(tǒng)，性能穩(wěn)定，抗溫，抗?jié)?，抗干擾能力強(qiáng)。帶有觸摸屏，觸控式操作，自主運(yùn)行，實(shí)時顯示監(jiān)控！
2﹑傳感器
傳感器感測出需要監(jiān)測控制的各種物理量并將其變?yōu)殡娦盘査椭劣?jì)算機(jī)，相當(dāng)于主控計(jì)算機(jī)
的眼睛。本系統(tǒng)將各類參數(shù)的狀態(tài)以電壓﹑開關(guān)信號等方式傳送至現(xiàn)場模塊，主要有溫度傳
感器﹑壓力傳感器﹑液位傳感器及電流傳感器。
3﹑現(xiàn)場模塊
由DAM-3046系列現(xiàn)場模塊完成數(shù)據(jù)采集與控制信號向執(zhí)行器的發(fā)送，再通過RS485 通訊方式將
信號傳送至轉(zhuǎn)換模塊DAM-3210，轉(zhuǎn)換成能與計(jì)算機(jī)串口連接的RS232 通訊方式。
4﹑執(zhí)行器
可由計(jì)算機(jī)直接控制的各種開關(guān)和閥門，計(jì)算機(jī)通過調(diào)整執(zhí)行器來具體實(shí)現(xiàn)控制功能，相當(dāng)
于主控計(jì)算機(jī)的手和腳?？刂破魍ㄟ^現(xiàn)場模塊的兩類輸出通道與執(zhí)行器連接：
1)開關(guān)量輸出通道(DO)。它可以由控制軟件將輸出通道設(shè)置成高電頻或低電頻，通過驅(qū)動電
路即可帶動繼電器或其它開關(guān)組件，也可以驅(qū)動指示燈顯示狀態(tài)；
2)仿真量輸出信道(AO)。輸出的信號是0～10V 的電壓，其值的大小是由控制軟件決定的，
由于計(jì)算機(jī)內(nèi)部處理的信號都是開關(guān)量信號，因此這種可連續(xù)變化的仿真量信號是通過數(shù)字
－仿真轉(zhuǎn)換電路(D/A)產(chǎn)生的。
5．GPRS模塊
1)簡述：GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service）的英文簡稱，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS采用與GSM同樣的無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、同樣的頻帶、同樣的突發(fā)結(jié)構(gòu)、同樣的跳頻規(guī)則以及同樣的TDMA幀結(jié)構(gòu)，這種新的分組數(shù)據(jù)信道與當(dāng)前的電路交換的話音業(yè)務(wù)信道極其相似。因此，現(xiàn)有的基站子系統(tǒng)（BSS）從一開始就可提供全面的GPRS覆蓋。GPRS允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源。從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。基于GPRS網(wǎng)絡(luò)組建的熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：
◇ 永遠(yuǎn)在線 GPRS DTU一開機(jī)就能自動附著到GPRS網(wǎng)絡(luò)上，并與數(shù)據(jù)中心建立通信鏈路，隨時收發(fā)用戶數(shù)據(jù)設(shè)備的數(shù)據(jù)，具有很高的實(shí)時性；
◇ 按流量計(jì)費(fèi) GPRS DTU一直在線，按照接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量來收取費(fèi)用，沒有數(shù)據(jù)流量的傳遞時不收費(fèi)用；
◇ 高速傳輸 GPRS網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度最快將達(dá)到160Kbps，速率的高低取決于移動運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，根據(jù)中國移動的網(wǎng)絡(luò)情況，目前可提供20～40Kbps的穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸；
◇ 組網(wǎng)簡單、迅速、靈活 GPRS無線系統(tǒng)可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)隨時隨地的構(gòu)建覆蓋全中國的虛擬移動數(shù)據(jù)通信專用網(wǎng)絡(luò)，為廣大中小用戶提供接入便利，節(jié)省接入投資；
◇ 通信鏈路由專業(yè)運(yùn)營商維護(hù) 由于采用中國移動的GPRS 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，因此鏈路維護(hù)也由中國移動負(fù)責(zé)，免除通信鏈路維護(hù)的后顧之憂；
◇ 防雷擊 由于采用中國移動的GPRS 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，所以在不影響上網(wǎng)的前提下，GPRS DTU的發(fā)射功率非常小，天線非常短，而且無需高架，克服了有線傳輸和無線電臺傳輸容易引雷擊壞設(shè)備的缺點(diǎn)。
2)GPRS模塊通過串口與平板電腦或主控計(jì)算機(jī)相連。在對GPRS通信模塊進(jìn)行配置時預(yù)先輸入數(shù)據(jù)中心的固定IP地址、采集數(shù)據(jù)命令，采集時間間隔等必要參數(shù)，同時，也可以遠(yuǎn)程設(shè)置相關(guān)參數(shù)。GPRS通信模塊收到控制器發(fā)來的數(shù)據(jù)后，把這些數(shù)據(jù)送到前面設(shè)置的IP地址網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中，通過端口映射轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)的過程為：數(shù)據(jù)送到中國移動GPRS網(wǎng)絡(luò)中，然后再經(jīng)過Internet，最后在數(shù)據(jù)中心通過接入專線或?qū)拵芴柧W(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器接收，接收服務(wù)器完成數(shù)據(jù)處理，寫庫，轉(zhuǎn)發(fā)等一系列工作。

三﹑自動化控制系統(tǒng)的構(gòu)成
1﹑硬件主體：對各類傳感器分述如下：
(1)溫度傳感器
選用熱電阻溫度傳感器，熱電阻是隨溫度變化的測溫組件，其電阻值隨溫度上升而增大，其
受熱部分(感溫組件)用細(xì)金屬絲均勻地雙繞在絕緣材料制成的骨架上，工業(yè)上用的熱電阻有
鉑熱電阻和銅熱電阻兩大類，本系統(tǒng)使用的是鉑熱電阻，分度號為Pt100，適用溫度范圍－
200～850℃，普通熱電阻基本結(jié)構(gòu)除感溫組件外，還有保護(hù)套管﹑安裝固定裝置﹑接線盒等。
(2)壓力傳感器
4040PC 型壓力傳感器為霍尼韋爾開發(fā)的第一個采用單芯片的壓力變送器，它的封裝適合用于
嚴(yán)酷環(huán)境，工作溫度為－45～125℃，結(jié)構(gòu)由不銹鋼﹑玻璃﹑焊劑﹑硅和黃銅組成。采用全校
整和溫度補(bǔ)償，提供線性放大的輸出，基于阻特性的單芯片技術(shù)極大地提高了長期使用的可
靠性。
(3)液位傳感器
霍尼韋爾LL 系列液位開關(guān)可提供非常準(zhǔn)確的液位測量，1 個LED 和1 個光電接收器被放入
塑料的半圓球內(nèi)，根據(jù)光的內(nèi)部反射原理，當(dāng)無液體時，絕大多數(shù)LED 光都會被光電接收器
接收到，當(dāng)液體覆蓋球表面時，圓球頂與液體界面的折射系數(shù)發(fā)生變化，光電接收器接收的
LED 光將會減少，因此輸出將會發(fā)生變化，開/關(guān)輸出信號與現(xiàn)場模塊數(shù)字量輸入端相連從而
為計(jì)算機(jī)定時讀取。
2﹑硬件框架圖如圖所示：
示圖一：



數(shù)據(jù)傳輸路徑一：通過DAM-3000系列485模塊對傳感器過來的信號進(jìn)行采集，并將采得的信號
由485接口發(fā)送給平板電腦，進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控?；蜉敵鐾獠啃盘栒{(diào)控執(zhí)行器件的動作。具體流程請參照示圖一。

示圖二

數(shù)據(jù)傳輸路徑二：通過DAM-3000系列485模塊對傳感器過來的信號進(jìn)行采集，然后由DAM-3210模塊將485信號變送成232信號，并發(fā)送給主控計(jì)算機(jī)。主控計(jì)算機(jī)再通過GPRS
模塊將信號傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。具體流程請參照示圖二。

3.現(xiàn)場模塊
本系統(tǒng)選用DAM-3000系列現(xiàn)場模塊，簡述如下：
(1) DAM-3046模塊
6路熱電阻輸入模塊
功能：通過溫度傳感器采集供回水溫度
地址：01-19
Sense0-59：供水溫度，共60路測溫點(diǎn)，需10路DAM-3046模塊
Sense60-119：回水溫度，共60路測溫點(diǎn)，需10路DAM-3046模塊


(2) DAM-3058F模塊
8路模擬量輸入
功能：通過壓力傳感器采集各種壓力信號
地址：20
Vin0 ：供水壓力
Vin1 ：補(bǔ)水泵出口壓力
Vin2 ：循環(huán)泵出口壓力
Vin3 ：凝水泵出口壓力
Vin5 ：除污器后回水壓力
Vin6 ：換熱器入口蒸氣壓力
Vin7 ：入戶蒸氣壓力
（3）DAM-3013
16路隔離數(shù)字量輸入模塊
功能：通過液位傳感器采集凝結(jié)水箱的液位信號，根據(jù)液位狀況在高液位有水時起凝水泵，
低液位無水時停凝水泵
地址：21
In0-7：采集8路高液位信號
In8-15：采集8路低液位信號
（4）DAM-3014
16路隔離集電極開路輸出模塊
功能：通過液位高低控制冷凝水泵與補(bǔ)給水泵的開停
地址：22
Out0-7: 控制8路冷凝水泵
Out8-15：控制8路補(bǔ)給水泵
（5）DAM-3210
隔離RS-232轉(zhuǎn)RS-485轉(zhuǎn)換模塊
功能：將485信號轉(zhuǎn)換成232信號

四﹑實(shí)際運(yùn)行效果
本自動化控制系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來，運(yùn)行狀況良好，確保了換熱系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，沒有出現(xiàn)故障，換熱站內(nèi)不再設(shè)置運(yùn)行人員，提高了效率。通過平板電腦與GPRS模塊實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場監(jiān)測與遠(yuǎn)程監(jiān)測的雙重監(jiān)控。