基于西门子PROFINET的智能换热站的系统设计论文_王一骏,罗菁

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摘要:热电联产集中供热因其具有节约能耗、改善环境、提高供热质量和便于科学管理等诸多优点成为我国鼓励发展的供热方式。而换热站是集中供热系统中的关键环节,它是连接电厂一次网和用户二次网实现热量交换、热量分配的枢纽。然而,传统的换热站控制方式单一,通常仅能在远方实现对多站数据的热网监测,而且目前仍有部分城市采用人工值守换热站的运维方式,限制了热网系统的运维水平,使热力管理部门与受热用户间的沟通更加困难,迫切需要应用先进技术,以适应城市供热的运行管理需要。基于此,本文设计了基于PROFINET的智能换热站系统,实现了实时通讯、分布式现场设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、IT标准和信息安全、故障安全和过程自动化功能。

关键词:西门子PROFINET;智能换热站;系统设计;应用

1、引言

近年来,国家提倡节能减排、低碳生活。所以对换热站的智能化、节能减排要求也逐步地提高。由于每户的位置、面积、人口数量不同,需要的热量也不尽相同。有的用户由于在管网的末端,所以热量明显不够[1]。有的用户在管网的前 端,热量过剩,有的甚至需要开门窗放热。这样就造成了热量的大量浪费。热资源利用率也大大地降低。所以,分户计量热流量、室内外温度反馈、换热站无人值守等也必将成为未来换热站系统发展的一种趋势[3]。

2、换热站的系统结构

城市热源直接提供的含热水(或蒸汽)称为一次水,入户供暖的含热水称为二次水,换热站的主要作用是通过换热器将一次水的热量传递至二次水中。一次水流动于一次供回水管道,二次水通过循环泵在二次供回水管道中循环,通过自来水或井水对二次水流失进行补水,在管道相应位置设温度、压力、流量、热量、电量等数据采集点,对各泵进行启停或变频控制,对各调节阀和调节门进行调节,这些都是换热站控制的主要内容。换热站是连接一次网和二次网的场所,可分为一次网、二次网和换热器三部分,如图1所示。

图 1 换热站系统结构图

一次网为热力源管线,电厂汽轮机排气产生的蒸汽带有大量的热量,经换热器后变为凝结水,凝结水经疏水泵导出进行再利用。二次网为用热管线,即管线从换热站获得热量并在用户处释放热量的循环管线,由二次供水管线和二次回水管线构成。而换热器是将热源一次网和用户二次网的热量进行交换的场所。二次网管道水的循环通过循环泵带动,亦可通过循环泵亦可改变二次网管道水的流量,从而改变进入用户的热量。

2、PROFINET概况

PROFIBUS是目前国际上通用的现场总线标准之一,以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规,已成为最重要的现场总线标准。PROFIBUS符合RS485标准,也就是说PROFIBUS的物理介质是RS485,因此电器PROFIBUS的传输距离受到传输速率的限制,总线的传输波特率9.6kbit~12Mbit。在复杂的工业现场PROFIBUS在传输速率、传输距离和抗干扰性能上还是略逊一筹。

PROFINET以IEEE802.3为基础,采用100Mbit/s的快速以太网和交换技术。作为跨供应商的技术,可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线(如PROFIBUS)技术,保护现有投资。通过代理服务器技术,PROFINET可以无缝地集成现场总线PROFIBUS和其他总线标准。

PROFINET支持线性、星型、树状及环形构架,为自动化通信领域提供了高速传输通道和优良的抗干扰介质。如图2所示,其功能包括8个主要方面:实时通讯、分布式现场设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、IT标准和信息安全、故障安全和过程自动化。

图2 PROFINET功能图

3、智能换热站系统设计

智能换热站系统总体结构如图3所示。红色箭头所示为一次进水和一次回水管路;蓝色箭头所示为二次进水和二次回水管路;绿色箭头为补水管路。循环泵和补水泵可根据供热规模和用户要求增加多个备用泵,工频和变频工作模式可选。管网各处进出水口都配有温度和压力传感器。实时反馈温度和压力,真正做到实时调节管网各个部分泵的工作频率和阀门开度,以确保热用户的室内温度平衡,既不会温度不达标,也不会热量过剩,造成热浪费。整个系统控制部分分成3个模块。调节阀温度控制、循环泵压力控制和补水泵压力控制。

图3 智能换热站系统总体图

3.1调节阀温度控制

调节阀的开度直接影响二次网的进水温度。系统可以手动设定调节阀的开度,也可以根据二次网进水温度的设定值与二次网进水温度当前值进行PID计算。调节结果是,二次网进水温度达到设定值,调节阀开度维持在一个恒定值。

3.2循环泵压力控制

如果二次网当前进水压力值小于设定压力值,则提高循环泵工作频率,

反之降低其工作频率。调节的结果是,二次网进水压力等于额定压力值,循环泵保持恒定工作频率。

3.3补水泵压力控制

水在循环的过程中,由于各种原因,水压是逐渐变小的。如果二次网当前回水压力值小于设定压力值,则提高补水泵工作频率,反之降低其工作频率。二次网回水压力等于设定压力值,补水泵停止工作。系统控制功能分为手动和自动两种,手自动切换和各种参数都是通过触摸屏输入。触摸屏的操作界面直观明了。

4、基于PROFINET智能换热站系统设计

本系统选用西门子S7-1200系列控制器,该系列控制器使用灵活,功能强大,结构紧凑,内置PROFINET。

单站的最基本配置包括工控机、PLC和触摸屏。系统的运行状态和各种参数在触摸屏和工控机上监控。控制方式的选择、运行参数设定、调节阀和循环泵补水泵的启动和停止在触摸屏上设定。一般循环泵和补水泵都选择一备一用,也可多备。

在确定了网络组态的前提下,PROFINET通过IP地址来建立主站与分布式设备之间的通讯。PROFINET的传输率保证了系统的实时性,使系统的升级扩展空间大大的提高。同时也能很好的融合现有的PROFIBUS网络。西门子新版本STEP7BASIC软件集设备和网络组态、PLC编程、HMI组态、在线诊断于一身。大大缩短了控制系统的开发周期。更便于整个系统的联合调试。在设备和网络组态模块下,配置工控机、PLC和触摸屏的IP地址。

5、系统优化与展望

随着无线技术的日趋成熟,换热站全自动运行,无人值守功能也将逐步地被广大用户接纳与采用。本系统采用中国移动GPRS通讯方式。热网监控系统功能可以分为3部分,远程采集、远程控制、远程调试。

(1)根据需求不同远程数据采集可以定时采集,也可以循环采集,即可以采集当前的实时数据,也可以采集过去的历史数据。

(2)远程控制是无人值守换热站的重要环节,包括对阀门的控制(手动开关阀门)、控制策略的选择(经验调节、定温调节、手动调节等)供水温度值的设定、循环泵的启停、补水泵的启停等。

(3)远程调试不但解决了数据的远程采集和控制,还可以实现现场控制器的远程维护,修改控制策略,修改报警参数值等。可减少去现场的次数,并且可以迅速了解现场控制器的工作情况,大大提高了工作效率。本系统的使用,不但能大大节约能源和人力,也将使我国的智能换热站系统向国际先进水平更近一步。

参考文献:

[1]张煜.换热站供热系统研究及智能控制方案设计[D].鞍山:辽宁科技大学,2011.

[2]牟海维,孟洁,韩建,等.改进的PID算法在换热站控制系统中的应用[J].信息技术,2013(1):136-138,142.

[3]刘福才.换热站控制系统设计[D].大连:大连理工大学,2011.

[4]魏溪,韩刚,寿建新.换热站的智能控制系统[J].科技展望,2016,26(11).

[5]谢维.节能型无人值守换热站的智能控制系统[J].计算机测量与控制,2011,19(7):1614-1618.

[6]田海,刘辉,张冰.换热站智能控制系统的设计与实现[J].测控技术,2013,32(8):67-70.

[7]郭耀华.基于 CC2530 的无人值守换热站智能控制系统[J].自动化与仪表,2015,30(7):58-61.

[8]葛楠.换热站智能控制系统设计与应用[D].太原理工大学,2013.

[9]Profibus International. PROFINET IO Part 5:Application LayerService Definition[S]. Version 1. 0,2004.

[10]LUO Geng-xing. A Description of Siemens Programming SoftwareSTEP7 and Its Application[J]. Southern Metals,2006(5):35-39.

论文作者:王一骏,罗菁

论文发表刊物:《基层建设》2018年第27期

论文发表时间:2018/10/17

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