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一、前言
在城市集中供熱系統(tǒng)中，熱力站作為熱網(wǎng)系統(tǒng)面對(duì)系統(tǒng)熱用戶最后一級(jí)調(diào)節(jié)單元，熱力站的控制效果直接決定熱用戶的采暖效果。在間連熱網(wǎng)熱力站中，二次網(wǎng)供回水壓力、溫度及流量均是影響供熱效果的重要因素，而二次網(wǎng)各供參數(shù)的調(diào)節(jié)主要是依靠對(duì)二次網(wǎng)循環(huán)泵及補(bǔ)水泵的控制。傳統(tǒng)的熱力站控制中，循環(huán)泵與補(bǔ)水泵一般都采用工頻泵，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)選型時(shí)已經(jīng)決定了系統(tǒng)二次網(wǎng)的主要參數(shù)，但是相對(duì)的，系統(tǒng)的適應(yīng)性、擴(kuò)展性及各參數(shù)的精確調(diào)整均受到極大限制。目前在一些城市中開(kāi)始逐步對(duì)集中供熱熱網(wǎng)的各個(gè)熱力站進(jìn)行自動(dòng)控制化改造。對(duì)于原有的熱力站，統(tǒng)一增加智能控制儀表、及變頻等設(shè)備；對(duì)于新建的熱力站，在設(shè)計(jì)時(shí)即在工藝系統(tǒng)基礎(chǔ)上引入自動(dòng)控制設(shè)備。自動(dòng)控制系統(tǒng)將熱力站的控制精確化，結(jié)合熱網(wǎng)中控室全網(wǎng)平衡系統(tǒng)及通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，進(jìn)行全網(wǎng)均勻調(diào)節(jié)，達(dá)到較好的控制效果。
二、系統(tǒng)控制方案及儀表選型
1、系統(tǒng)控制方案：在集中供熱工程中由于各用戶的建筑面積、暖氣片性能及房屋保溫質(zhì)量各不相同，很難確定一組典型的室內(nèi)溫度作為直接被控量，而供、回水的平均溫度從整體上反映了各用戶暖氣片的平均溫度，因此一般的供熱系統(tǒng)都是根據(jù)室外環(huán)境溫度及不同的供熱時(shí)段來(lái)控制供、回水平均溫度的方法來(lái)間接控制用戶室溫。
各熱力站從控制中心獲取對(duì)應(yīng)的二次網(wǎng)供回水平均溫度，站內(nèi)系統(tǒng)將獨(dú)立控制回路分為二次網(wǎng)供回水控制回路和一次網(wǎng)流量控制回路，根據(jù)平均溫度的偏差確定一次網(wǎng)流量的設(shè)定值，然后調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度使流量達(dá)到設(shè)定值。站內(nèi)的控制系統(tǒng)還根據(jù)熱力站的實(shí)際情況對(duì)二次網(wǎng)循環(huán)泵及補(bǔ)水泵進(jìn)行調(diào)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)總流量和溫度的調(diào)節(jié)。使循環(huán)水泵按照實(shí)際負(fù)荷輸出功率，減少不必要的電能損失。這樣可以及時(shí)地把流量、揚(yáng)程調(diào)整到需要的數(shù)值上，消除多余的電能消耗，從而達(dá)到良好的節(jié)能效果。通常熱力系統(tǒng)會(huì)設(shè)計(jì)兩臺(tái)變頻泵，這不僅是為了系統(tǒng)備用，也是為了防止系統(tǒng)超調(diào)。如果負(fù)荷不夠，則泵的轉(zhuǎn)速加大，達(dá)到100%時(shí)還不滿足要求，則啟動(dòng)第二臺(tái)泵。同時(shí)系統(tǒng)還可以根據(jù)運(yùn)行時(shí)間自動(dòng)切換各循環(huán)泵，也提供低水壓保護(hù)和連鎖功能?？刂葡到y(tǒng)的二網(wǎng)供、回水壓力是熱網(wǎng)安全運(yùn)行的重要參數(shù)。供水壓力過(guò)高可能造成熱水管道及用戶暖氣片的破裂；供、回水壓力過(guò)低，使得部分熱用戶無(wú)法的到足夠熱量。恒壓控制的最佳方案是對(duì)補(bǔ)水泵進(jìn)行變頻調(diào)速控制，但考慮此處對(duì)壓力的穩(wěn)定性要求并不高，只要壓力不超出某一范圍即可，所以也可以采用開(kāi)關(guān)補(bǔ)水控制方案。
2、儀表選型：根據(jù)要求及本系統(tǒng)的控制對(duì)象儀表選擇如下：顯示儀表選擇AI-701AI4S，溫差測(cè)量選擇AI-704MAJ0J0X3S4，控制儀表選擇AI-808AI4X3S4，人機(jī)界面選擇AI-2057觸摸數(shù)字無(wú)紙記錄儀。
三、熱力站控制系統(tǒng)介紹
1、系統(tǒng)構(gòu)成
間連型熱力站自動(dòng)控制系統(tǒng)主要控制回路為：一次網(wǎng)流量控制回路、二次網(wǎng)循環(huán)控制回路、二次網(wǎng)定壓回路。在熱力站自動(dòng)控制系統(tǒng)中，一次網(wǎng)流量控制回路主要通過(guò)調(diào)節(jié)一次回水調(diào)節(jié)閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。二次網(wǎng)的調(diào)節(jié)回路則是通過(guò)調(diào)節(jié)二次網(wǎng)循環(huán)泵及補(bǔ)水泵轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。一次網(wǎng)的控制指令主要由熱網(wǎng)調(diào)度中心根據(jù)全網(wǎng)平衡算法下發(fā)，而二次網(wǎng)循環(huán)泵及補(bǔ)水泵變頻器轉(zhuǎn)速則由站內(nèi)系統(tǒng)依據(jù)各熱力站所帶熱網(wǎng)的實(shí)際情況計(jì)算得出。
2、主要控制回路
一網(wǎng)回路控制：熱力站的一次網(wǎng)回路通過(guò)調(diào)節(jié)一次網(wǎng)回路上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，來(lái)調(diào)節(jié)流過(guò)熱力站的一次熱水的流量，控制目的為提供熱力站必須的供暖熱量，主要是熱負(fù)荷控制。在全網(wǎng)控制系統(tǒng)中，全網(wǎng)控制中心根據(jù)目前室外溫度情況，參考熱源的運(yùn)行情況及各熱力站反饋的二次網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算出各熱力站二次網(wǎng)目標(biāo)控制溫度（一次網(wǎng)回路控制中主要的參考對(duì)象為熱力站一、二次網(wǎng)供回水溫度）。熱力站系統(tǒng)根據(jù)全網(wǎng)控制中心下發(fā)的指令，由人機(jī)界面來(lái)設(shè)定并由AI-808控制器輸出信號(hào)來(lái)控制一次網(wǎng)流量調(diào)節(jié)閥，從而實(shí)現(xiàn)全熱網(wǎng)的熱資源均勻分配。
二次網(wǎng)循環(huán)泵控制：熱力站系統(tǒng)二次網(wǎng)循環(huán)泵是通過(guò)AI-808控制器調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率來(lái)調(diào)速。傳統(tǒng)熱力站系統(tǒng)循環(huán)泵通常采用工頻泵，循環(huán)泵選定后，熱力站二次網(wǎng)的流量無(wú)法進(jìn)行調(diào)整，從而造成熱力站系統(tǒng)無(wú)法根據(jù)室外溫度及實(shí)際供熱需求來(lái)調(diào)整，造成熱力及電力資源的浪費(fèi)。而且大功率的工頻泵在起停時(shí)會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊。目前，熱力系統(tǒng)自控改造中，對(duì)15KW以上的循環(huán)泵普遍使用變頻控制。一般的循環(huán)泵均采用壓差控制方式，即循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速受二次網(wǎng)供回水壓差調(diào)整。壓差控制的方式可以通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)泵轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)二網(wǎng)流量以滿足供熱需求，從而減少浪費(fèi)。熱力站控制系統(tǒng)根據(jù)各系統(tǒng)的實(shí)際情況，設(shè)定一個(gè)供回水壓差目標(biāo)值。設(shè)定此供回水壓差值以滿足二次管網(wǎng)的供暖水循環(huán)。這種調(diào)整可以起到節(jié)約電能及熱能的效果，在大型熱網(wǎng)中，這種節(jié)能手段就能取得可觀的效果。
二網(wǎng)定壓補(bǔ)水控制：二次網(wǎng)的補(bǔ)水控制采用的是定壓控制，傳統(tǒng)熱力站中往往采用壓力表電節(jié)點(diǎn)控制。隨著城市集中供熱的發(fā)展，系統(tǒng)的熱負(fù)荷越來(lái)越大，熱力站系統(tǒng)所帶的供暖面積都比較大，并且供熱網(wǎng)條件不一，二次網(wǎng)系統(tǒng)的水力損失較大。嚴(yán)重的水力損失使得二次網(wǎng)的補(bǔ)水系統(tǒng)壓力加大，補(bǔ)水頻繁。而傳統(tǒng)的工頻補(bǔ)水泵的頻繁起停，容易造成二次管網(wǎng)壓力的波動(dòng)。在熱負(fù)荷較大的系統(tǒng)中，我們采用補(bǔ)水泵變頻控制，對(duì)補(bǔ)水系統(tǒng)進(jìn)行精確的微調(diào)。當(dāng)系統(tǒng)失水時(shí)，二網(wǎng)壓力下降，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)變頻器控制補(bǔ)水泵以一定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行補(bǔ)水，AI-808儀表根據(jù)當(dāng)前壓力與設(shè)定的目標(biāo)壓力來(lái)調(diào)整補(bǔ)水泵的轉(zhuǎn)速，從而避免補(bǔ)水泵在啟動(dòng)和停止時(shí)對(duì)二次網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊。
四、儀表調(diào)試及人機(jī)界面功能
1、AI儀表自整定及參數(shù)設(shè)置：AI人工智能調(diào)節(jié)方式初次使用時(shí)，可啟動(dòng)自整定功能來(lái)協(xié)助確定M 5、P、t等控制參數(shù)。AI人工智能調(diào)節(jié)算法是采用模糊規(guī)則進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)的一種新型算法，在誤差大時(shí)，運(yùn)用模糊算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，以消除PID 飽和積分現(xiàn)象，當(dāng)誤差趨小時(shí)，采用改進(jìn)后的PID算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，并能在調(diào)節(jié)中自動(dòng)學(xué)習(xí)和記憶被控對(duì)象的部分特征以使效果最優(yōu)化。具有無(wú)超調(diào)、高精度、參數(shù)確定簡(jiǎn)單、對(duì)復(fù)雜對(duì)象也能獲得較好的控制效果等特點(diǎn)。初次啟動(dòng)自整定時(shí)，可將儀表切換到正常顯示狀態(tài)下，按A/M鍵并保持約2秒鐘，此時(shí)儀表下顯示器將閃動(dòng)顯示“At”字樣，表明儀表已進(jìn)入自整定狀態(tài)。自整定時(shí)，儀表執(zhí)行位式調(diào)節(jié)，經(jīng)2~3次振蕩后，儀表內(nèi)部微處理器根據(jù)位式控制產(chǎn)生的振蕩，分析其周期、幅度及波型來(lái)自動(dòng)計(jì)算出M 5、P、t等控制參數(shù)。如果在自整定過(guò)程中要提前放棄自整定，可再按A/M鍵并保持約2秒鐘，使儀表下顯示器停止閃動(dòng)“At”字樣即可。視不同系統(tǒng)，自整定需要的時(shí)間可從數(shù)秒至數(shù)小時(shí)不等。儀表在自整定成功結(jié)束后，會(huì)將參數(shù)CtrL設(shè)置為3（出廠時(shí)為1）或4，這樣今后無(wú)法從面板再按A/M鍵啟動(dòng)自整定，可以避免人為的誤操作再次啟動(dòng)自整定。已啟動(dòng)過(guò)一次自整定功能的儀表如果今后還要啟動(dòng)自整定時(shí)，可以用將參數(shù)CtrL設(shè)置為2的方法進(jìn)行啟動(dòng)（參見(jiàn)后文“參數(shù)功能”說(shuō)明）。系統(tǒng)在不同給定值下整定得出的參數(shù)值不完全相同，執(zhí)行自整定功能前，應(yīng)先將給定值設(shè)置在最常用值或是中間值上，如果系統(tǒng)是保溫性能好的電爐，給定值應(yīng)設(shè)置在系統(tǒng)使用的最大值上，再執(zhí)行啟動(dòng)自整定的操作功能。參數(shù)CtL（控制周期）及dF（回差）的設(shè)置，對(duì)自整定過(guò)程也有影響，一般來(lái)說(shuō)，這2個(gè)參數(shù)的設(shè)定值越小，理論上自整定參數(shù)準(zhǔn)確度越高。但dF值如果過(guò)小，則儀表可能因輸入波動(dòng)而在給定值附近引起位式調(diào)節(jié)的誤動(dòng)作，這樣反而可能整定出徹底錯(cuò)誤的參數(shù)。推薦CtI=0-2，dF=2.0。此外，基于需要學(xué)習(xí)的原因，自整定結(jié)束后初次使用，控制效果可能不是最佳，需要使用一段時(shí)間（一般與自整定需要的時(shí)間相同）后方可獲得最佳效果。AI儀表的自整定功能具備較高的準(zhǔn)確度，可滿足超過(guò)90%用戶的使用要求。
一般的調(diào)節(jié)儀表在自整定時(shí)的調(diào)節(jié)狀態(tài)是位式控制，輸出量要么最大要么最小，在本系統(tǒng)中調(diào)節(jié)輸出大幅變化是不允許的。AI-808調(diào)節(jié)器具有手動(dòng)自整定模式可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題，具體操作是：把儀表切換到手動(dòng)輸出狀態(tài)，通過(guò)儀表的△ ▽鍵調(diào)整輸出量，使測(cè)量值盡量和設(shè)定值保持一致，然后在這個(gè)狀態(tài)下啟動(dòng)自整定，這樣儀表的輸出值將限制在當(dāng)前手動(dòng)輸出值的±10%范圍內(nèi)，從而避免出現(xiàn)輸出值的大幅變化。儀表主要參數(shù)設(shè)置：HIAL：上限報(bào)警。LOAL：下限報(bào)警。Df：回差（死區(qū)、滯環(huán)），用于避免因測(cè)量輸入值波動(dòng)而產(chǎn)生報(bào)警頻繁動(dòng)作。Ctrl：控制方式，采用AI人工智能調(diào)節(jié)/PID調(diào)節(jié)，Ctrl設(shè)置為4。M5：保持參數(shù)，主要決定調(diào)節(jié)算法中的積分作用，和PID積分時(shí)間類似，M5越小，系統(tǒng)積分作用越強(qiáng)。M5=0時(shí)取消積分和AI人工智調(diào)節(jié)，成為PD調(diào)節(jié)器，經(jīng)驗(yàn)參數(shù)為4。P：速率參數(shù)，與每秒內(nèi)儀表輸出變化100%時(shí)測(cè)量值時(shí)應(yīng)變化大小成正比，P=1000/每秒測(cè)量值的升高單位值（系統(tǒng)以0.1定義為一個(gè)單位），經(jīng)驗(yàn)參數(shù)為5。T：滯后時(shí)間，t越小，則比例和積分作用均成正比增強(qiáng)，而微分作用相對(duì)減弱，但整體反饋?zhàn)饔迷鰪?qiáng)：反之，t越大，則比例和積分作用均減弱，而微分作用相對(duì)增強(qiáng)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)為1。Ctl：輸出周期，反映儀表運(yùn)算調(diào)節(jié)的快慢。Sn：輸入反饋信號(hào)類型。OPT：輸出方式。CF：系統(tǒng)功能選擇，可以選擇系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方向。
2、人機(jī)界面：人機(jī)界面采用AI-2057型觸摸數(shù)字無(wú)紙記錄儀。 AI-2057型觸摸數(shù)字無(wú)紙記錄儀是基于傳統(tǒng)的HMI 觸摸屏，配置標(biāo)準(zhǔn)CF卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，采用智能化、模塊化和網(wǎng)絡(luò)化的設(shè)計(jì)理念二次開(kāi)發(fā)的無(wú)紙記錄儀，與宇電AI系列產(chǎn)品進(jìn)行靈活的組態(tài)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)字、曲線全屏顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能。HMI觸摸屏采用RISC CPU、32M 大容量?jī)?nèi)存，每通道數(shù)據(jù)刷新時(shí)間50 毫秒；選配儲(chǔ)存卡槽采用外插拔標(biāo)配1G 的電子硬盤，可擴(kuò)展CF卡1～4G 存儲(chǔ)記錄空間；數(shù)據(jù)保存按先進(jìn)先出的原則，轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)點(diǎn)立即保存；數(shù)據(jù)通過(guò)讀卡器在PC上直接打開(kāi)，數(shù)據(jù)備份至計(jì)算機(jī)上，用【宇電無(wú)紙記錄儀圖形軟件】來(lái)閱讀數(shù)據(jù)曲線；無(wú)存儲(chǔ)功能時(shí)可作終端顯示操作屏使用，主機(jī)內(nèi)存可記錄大約1小時(shí)的數(shù)據(jù)及報(bào)警參數(shù)，保存15 條升降溫程序配方在中。觸摸屏COM1通訊口采用屏蔽雙絞線來(lái)連接AI 儀表的通訊口端，中間不能用其他的導(dǎo)線來(lái)連接；COM2通訊口還具有隨機(jī)打印功能，或定制數(shù)據(jù)穿透功能，應(yīng)用數(shù)據(jù)穿透功能無(wú)紙記錄儀可與計(jì)算機(jī)軟件通訊，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)監(jiān)控。
無(wú)紙記錄儀采用上位機(jī)（觸摸屏）與下位機(jī)（AI 儀表）485總線連接，按地址排列，AI儀表相互獨(dú)立運(yùn)行、互不干擾、通電就能顯示操作；每臺(tái)記錄儀可選擇2、4、6、8、12、16、18、22、24、32 通道軟件。在AI-2057上可以通過(guò)面板操作調(diào)節(jié)系統(tǒng)所需的各種運(yùn)行狀態(tài)，例如：一、二次網(wǎng)供回水溫度及溫差等，并可隨時(shí)查閱以往運(yùn)行記錄；根據(jù)用戶要求可將當(dāng)前參數(shù)以畫面、曲線、報(bào)表的形式在屏幕上顯示。也可以通過(guò)CF卡把存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到PC機(jī)上顯示，也可用串行COM2口備份Excel電子表格數(shù)據(jù)至上位計(jì)算機(jī)。CF卡內(nèi)的數(shù)據(jù)包括：報(bào)警報(bào)表AL數(shù)據(jù)包；數(shù)據(jù)報(bào)表DL數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)按年/月/日/小時(shí)來(lái)保存數(shù)據(jù)源文件，保存的數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)加密的，必須采用DataLogTool 1.0圖形軟件來(lái)閱讀。
五、結(jié)語(yǔ)
通過(guò)熱力站自動(dòng)控制系統(tǒng)的投運(yùn)，過(guò)去主要依靠人工調(diào)節(jié)的控制手段得到了徹底改善，熱網(wǎng)的運(yùn)行得到合理控制，失調(diào)現(xiàn)象得到了有效地解決，消除了熱網(wǎng)中各站冷熱不均的現(xiàn)象。按需供熱、節(jié)能降耗，改變了不合理的小溫差大流量運(yùn)行方式，既保證了遠(yuǎn)端客戶的供熱需要又避免了近端用戶的過(guò)熱現(xiàn)象直接提高了熱網(wǎng)的供熱效果。
