基于PLC和HMI的换热站系统

换热站是供热系统中的重要组成部分，本文以东北某小区换热站为例介绍了换热站监控系统的组成、功能及实现方法。本案例采用的控制系统为台达PLC，以此结合触摸屏进行现场数据采集。远程上位机使用组态王软件进行搭建，通过换热站与控制室之间的以太网通讯连接，实时监控供热工况，并根据现场情况及时调节换热站参数，提高换热站的自动化程度，降低运行成本，增强可靠性。

传统换热站大多采用人工监控，一方面浪费人力，另一方面在出现事故隐患时操作人员难以发现，易造成热力失衡，影响供热效果，还会造成能源的极大浪费。如在换热站中引入PLC、触摸屏及上位监控系统等自控设备，可对现场设备实时监测和控制，不仅大大提高了工作效率，降低了故障发生率，还使控制过程更加直观、调节和控制更加方便。

1 换热站

换热站自控系统按设备类型分，可分为温度及压力变送器、流量计电动调节阀、循环泵及补水泵；按控制回路分，则可分为一次管网流量控制回路和二次管网控制回路。

1.1 一次管网回路控制

换热站的一次管网回路控制，主要是热负荷控制。通过控制调节一次管网回路上的电动调节阀，来调节流过换热站的一次管网热水的流量，从而实现对二次管网出水温度的控制。

1.2 二次管网循环泵控制

换热站系统二次管网循环泵是通过变频器来调节控制的。一般循环泵采用供回水温差结合供回水压差的控制方式。控制系统根据实际情况，设定一个供回水压差目标值以满足二次管网的供暖水循环。在此基础上，PLC系统通过测量供回水温差来对循环泵进行修正。当二次管网供回水温差偏大时，则提高循环泵转速，加大二次网的流量，提高二次管网的回水温度，以改善供热效果；当二次管网供回水温差过小时，需适当降低循环泵转速，减小二次管网的流量，实现小流量大温差的运行模式。这种循环泵的控制方式可以起到节约电能及热能的效果。

1.3 二次管网定压补水控制

二次管网的补水控制采用的是定压控制。当系统失水时，二次管网压力下降，系统会通过变频器控制补水泵以一定的转速进行补水，补水泵的转速根据当前压力与目标压力的差值均匀调速，从而避免补水泵在启动和停止时对二次管网系统的冲击。

2 系统设计

该东北小区换热站以就地控制为核心，将现场的温度、压力、热量、流量、液位、阀门开度、泵的起停状态等信号传输到控制器，由其进行采集和控制，再通过以太网通讯的方式，与上位机保持实时连接。

2.1 现场仪表和执行机构

换热站仪表和执行机构清单如表1所示。

表1 仪表和执行机构清单

2.2 硬件构成

针对东北某小区换热站现场控制需求，台达PLC及触摸屏产品列表如表2。

表2 PLC及触摸屏产品列表

2.3 PLC可编程控制器

系统方案中主机CPU采用台达第二代PLC-DVP12SA2，该款PLC具有16k程序容量，自带3个串行通讯口（1个RS232，2个RS485），最大扩展数字量为480点，右侧可扩展8个特殊模块（包括AD、DA、PT、TC等），并且支持左侧高速扩展，可连接以太网模块及现场总线模块；同时，SA2提供丰富的应用指令（包括PID手自动无扰切换、气候补偿曲线等）。

其中，12SA2是控制系统的核心，在换热站中其完成的主要功能如下：

（1） 采集温度、压力、流量、液位、调节阀开度及变频器反鐀等仿真信号，并将其转换为数字信号，送至触摸屏及上位端；

（2） 根据二次网供水温度和室外温度通过调节阀调节一次网供水流量，保证采暖效果；

（3） 根据二次网回水压力调节补水泵电机转速，从而稳定管网压力；

（4） 根据二次网供回水压差控制循环泵，维持压差稳定；

（5） 当供水压力超过规定值时，打开泄压电磁阀泄压；

（6） 做相关报警功能，当水箱水位高于或低于上下限时，发出报警。

PLC部分程序如图1所示：

PID手自动无扰切换：SA2系列PID指令支持手自动无扰切换功能，使热网运行更加稳定。当PID指令由自动模式切换到手动模式时（PID控制方式为K8），PID自动输出将停止运算，此时以手动输出值为准；当控制模式由手动切回自动时，PID指令会自动将前一个输出值接续控制下去（不重新做累积积分）。PID手自动无扰切换部分程序如图2：

气候补偿曲线功能：在热网行业中，如能让控制温度根据室外温度进行相应的改变，将有利于供热量的调节，从而实现节能。台达公司根据热网行业而专门开发的气候补偿曲线DTM指令满足了上述需求。编程者在设置完室外温度与控制温度数组（最多50组）后，DTM指令会根据室外实际温度值自动调整控制温度值。

图3为气候补偿曲线示意图。其中，横轴为室外温度，纵轴为控制温度。

图4为东北某小区PLC气候补偿曲线程序。

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