换热站是集中供热系统供热网路与热用户的连接场所，是热源与热用户之间的一个中间环节，其供热品质的好坏对改善热网热力工况，提高供热质量起着重要作用。
本文设计针对某生活小区换热站。目前此换热站存在以下缺点：①耗能严重。循环泵及补水泵输出流量无法随着供暖负荷和管网压力的变化而变化。②二次供水温度难以控制。③数据传输和通信速率慢、传输不稳定、运行成本高。
本论文针对换热站存在的以上缺点，作以下设计：①基于可编程控制器PLC的变频调速系统的设计与实现[1]。②采用智能PID算法，保证二次供水温度的恒定。③运用GPRS(general packet radio service)通用分组无线业务进行数据传输[2]。系统结构简图如图1所示。


1 基于PLC的变频调速系统的设计与实现
系统采用质量双调的控制方式，即同时控制换热站的循环泵的流量和二次供水设定温度，其中量调的节能效果最为显著。此外系统运行过程中，管网失水是不可避免的，因此需要控制补水泵的补水量以保证系统的稳定运行。原有换热站水泵电机直接接市电一直以工频运行, 泵的输出流量也就无法随着供暖负荷的变化而变化,而是始终保持恒定的流量[3]。
通过变频器适时适量地控制循环泵电机的转速可以调节循环泵的输出流量, 满足供暖负荷要求，使电机在整个负荷和变化过程当中的能量消耗降到最小程度。应用变频器还能提高系统的功率因数, 减少电机的无功损耗, 并提高供电效率和供电质量。本系统采用PLC控制泵的运行逻辑并采用变频器控制泵的转速来实现这一目的。一台变频器拖动三台循环泵（两运一备），变频器采用ABB ACS140。其原理图如图2所示。


首先第一台泵变频启动，如果负荷不够则第一台泵转速加大（需变频器），如果达到100％时还不满足要求，则启动第二台泵使之在变频下运行，同时第一台泵切换到工频下运行。如果达到了要求则第二台泵停止运行，则第一台泵变频运行。在运行泵出现故障时切换到第三台备用泵。如果泵反馈信号不等于输出信号或者任意泵报警，则产生“维护报警”信号。如果所有泵均报警，则产生“无可用泵”信号。根据运行时间自动切换各循环泵。同时也提供低水压保护和连锁功能。
对于循环泵，该系统有手动和自动两种变频功能和一种工频功能。在变频模式下, 手动时, 可以人为随意给定频率, 控制循环泵的输出流量, 调节供暖温度。自动时, 变频器和PLC 控制器进行通信, PLC 控制器根据室外温度传感器和二次供回水温度传感器传上来的信号进行处理, 按照供热要求给变频器发出控制指令, 控制电机转速调节循环泵输出流量, 从而达到调节温度的目的。在变频器出故障时, 可手动切换到工频运行, 保证继续供热不停产。
PLC选用西门子S7-200系列CPU226型（24输入/16继电器输出），同时还加上一个扩展模块EM235作为模拟量输入/输出单元。其控制电路如图3所示。其中交流接触器KM1、KM3、KM5 分别控制1# 泵、2# 泵、3# 泵的变频运行, 而KM2、KM4、KM6 则分别控制1# 泵、2# 泵、3#泵的工频运行, KM7 控制变频器工作。SA1、SA2、SA3 分别为3 台循环泵的停止开关，SA4、SA5、SA6 分别为3台循环泵的手动起停操作开关。SL 为温度下限开关, SH 为温度上限开关。FR1、FR2、FR3 分别为3台循环泵的过载保护,FA为变频器保护。


循环泵PLC控制程序流程图如图4所示。


PLC的软件程序主要完成以下功能：(1)所有泵的启动都采用变频启动且更换启动泵。(2)自动加泵减泵功能，在一台泵工作时若温度没有达到设定值，而变频器的输出频率却已经达到了上限，则自动切换本泵为工频运行，投入第二台泵为变频运行；在两台泵工作时，若温度达到了要求，而变频器的输出频率低于设定频率，则停变频泵，将工频泵投变频运行。(3)系统设置了热备功能，在两台泵都无故障的前提下，一台单独运行10小时后，将自动切换另一台泵。(4)故障自切换功能保证了在有备用泵的前提下，在运行泵出现故障时可以自动切换到备用泵，从而防止出现停水事故和停泵水锤对管网及泵站造成破坏。此外系统还具有频率、电流、电压、管网压力、温度等监视功能，压力、温度异常报警及变频器、电机故障报警等功能。
补水系统采用变频调速技术，利用恒压供水的原理定点补水。系统采用闭环控制，由S7-200PLC及压力传感器等组成。压力传感器安装于二次回水管网中，在线监测系统压力作为反馈信号传送给PLC，与给定压力值相比较，如低于此值则加大补水流量，反之，则减少流量，以保证系统压力恒定。具体控制算法采用PID控制，在PLC里通过编程实现，此方法的定压误差非常小，节约了电能，且减少了电机起动时大电流对电机定子绕组电动力的作用。原理图如图5所示。


2 换热器二次供水温度调节控制回路
为了做到即经济运行又保证供热质量，采用了如图6所示的二次供水温度调节控制回路对供热工况进行分阶段调节。其主要功能是通过对各二次供热系统的温度检测、分析，结合外界干扰因素（室外天气温度），算出最佳的供水温度，通过调节一次管网流量，使二次供水温度接近于它的设定值，这样在供热系统满足用户需求量的前提下，保证最佳工况。控制元件是换热器一次水出口的控制阀，该阀门控制换热器的一次供水流量。将预设定温度作为给定值，测量温度值作为反馈值，阀门的开度作为输出值，采用智能PID算法[4]，保证二次供水温度的恒定。



控制回路中的温度智能PID调节器采用AL809智能PID调节器，它采用先进的PID调节算法，PID自整定及分段输出功率限制功能，具备无超调及无欠调的优良控制特性。具有功能强大，组态灵活、适应性广的特点，适合温度的精确控制。输出为开关动作，可直接控制电动调节阀电机的正转反转。温度检测到的信号和设定值信号在AL809调节器中通过PID整定的输出值控制一次水出口的控制阀，进而调节二次水的温度。
每个热力站均安装了室外温度传感器，预设定温度根据室外温度计算得出，通过公式计算出当前的预设定温度，这个设定温度是随着室外温度的变化而改变的。如图7所示。


3 GPRS网络进行远程通信
为了掌握供热流量分配情况、小区用热总量和调节用户所用热量并进行热能资源优化、调度和自动化管理，系统需要对换热站运行状况进行监测，力求做到换热站无人值守。监测要求：(1)运行参数的监测。在换热站热交换生产过程中，存在大量的物理量，如压力、温度、流量等模拟量参数。需要通过PLC 对这些参数进行实时采集和处理，并且为远程传送做好准备。(2)设备运行状态的监测。要求在远程可监测到循环泵、补水泵的电动机运行或者备用的状态、变频器输出的频率或者电流、调节阀的阀位、电磁阀的动作情况等。(3)换热站电源以及防火、防盗的监视。无人值守换热站对防火、防盗提出要求。在换热站内安装有火灾报警器和防盗报警器，报警器的报警信号应当传输到控制中心。
传输以上检测信号到控制中心就要选择合适的通信手段，这是决定系统性价比的关键因素。以前的通信手段传输速率慢、传输不稳定、运行成本高，不能满足集中供热系统监控信息的实时传输要求。GPRS技术的出现为集中供热系统数据采集提供了新的通信手段。GPRS通用分组无线业务是在原有的基于电路交换方式的GSM网络上增加了SGSN和GGSN等功能实体，为GSM用户提供分组交换的数据业务。GPRS无线传输网络可实时在线、时延小，能够同时实时收取、处理多个/所有监测点的各种数据，无需轮巡等特性。GPRS业务传输速率高、网络覆盖面广、性价比高。
本系统采用GPRS网络进行远程通信，结构如图8所示。


系统采用了S7-200系列PLC专用的GRPS无线数据通讯模块SINAUT MD 720-3。由SINAUT MD720-3 GPRS调制解调器、天线和GPRS通讯管理软件SINAUT MICRO SC (集成OPC Server)等组成，实现S7-200 PLC的GPRS(GSM移动无线网络)无线连接。S7-200PLC通过传感器对现场数据进行实时采集和处理，然后把现场采集到的实时数据通过GPRS模块发送到GPRS网络，再由GPRS网络发送到Internet网上，远程监控中心就可以通过联网计算机访问数据。
由于仅仅支出GPRS 的流量通信费用，所以运行费用极低。经实际测算，单套供热系统每次大约有十几字节的数据量，根据换热站参数变化特点，将GPRS终端的数据更新周期设定为10min，月费用仅为几元。
本文设计了具有远程监控功能的换热站自动控制系统。此系统采用S7-200 CPU226PLC和ABB ACS140变频器调节循环泵或补水泵的输出流量, 达到了调节温度和恒定压力的目的，提高了控制精度，温度控制精度小于3％，压力控制精度在1％以内，更重要的是节约了能源，降低了供热设施的运行费，节电达到35％以上；采用由AL809智能PID调节器组成的二次供水温度调节控制回路，通过智能PID算法使二次供水温度达到设定的温度，使换热站做到即经济运行又保证供热质量，达到最佳工况；运用SINAUT MD 720-3 GPRS模块无线传输数据可以实时快速地将换热站现场数据发送到远程监控中心，实现供热运行的动态跟踪监视，实时诊断供热运行的隐患，使供热安全、正常和节能地运行，做到了通讯费用的减少与换热站的无人值守。