1 引言
我國北方地區(qū)的冬季漫長而寒冷，暖氣、地熱等供暖方式已經成為這里人民冬季室內御寒的主要手段。隨著城市供熱管網的改造工程逐步深化，小區(qū)鍋爐供暖的形式已在逐漸退出舞臺，由一個熱電廠負責幾個片區(qū)的供熱已經成為目前城市供熱的發(fā)展趨勢。熱電廠通過輸汽管道將過熱蒸汽輸送到各換熱首站，在換熱首站中蒸汽經熱交換器將采暖熱水加熱，循環(huán)泵通過供熱管道將熱水送到二次網及各熱用戶。因此，換熱首站作為熱源輸出的重要關口，其供熱品質的好壞對改善熱網熱力工況，提高供熱質量起著重要作用。

2 控制原理
由于各用戶的建筑面積、暖氣片性能及房屋保溫質量各不相同，很難確定一組典型的室內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，因此本系統(tǒng)采用根據室外環(huán)境溫度及不同的供熱時段來控制供、回水平均溫度的方法來間接控制用戶室溫?？刂圃砜驁D見圖１。

圖1 控制原理框圖

圖１中to表示室外大氣溫度5min內的平均值，ts表示供、回水溫度的設定值，t1表示供水溫度測量值，t2表示回水溫度測量值。
供、回水溫度與室外大氣溫度應是一個反向變化的量，當大氣溫度降低時，應曾加供熱量，反之則減少供熱量。其近似關系式為:ts=ta+k(ta-to) (1)
式(1)中ta為用戶室內溫度的期望值，k為供熱系數。使用式(1)的基本條件是必須ta大于to。由于用戶的熱交換關序比較復雜，系統(tǒng)循環(huán)泵的開啟臺數又是一個變值，所以供熱系數k必須根據用戶的室內實際溫度進行修正。由上位系統(tǒng)給出。
(1) 設定ta
為了節(jié)約能源，用戶可以根據具體情況將一天分為幾個供熱時段，不同的供熱時段設定不同的ta。例如:７點至２１點為正常供熱時段，設定ta=18℃;23點制早晨５位夜間保溫時段，設定ta=16℃;５點至7點為升溫時段，設定ta=t+11，ta線性增加; 21點至23點為降溫時段，設定ta=39-t，ta線性減少。ta設定曲線如圖２所示。

圖2 用戶室溫期望值設定曲線

(2) 補水控制
供、回水壓力是熱網安全運行的重要參數。供水壓力過高可能造成熱水管道及用戶暖氣片的破裂;循環(huán)熱水的流失會使回水壓力過低，有可能形成熱水汽化，引起熱交換器的劇烈振動。恒壓控制是補水控制的最佳方案，即對補水泵進行變頻調速控制使供、回水管道保持恒定的壓力。

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3　控制功能
s7-300可編程控制器(plc)和abb變頻器構成的自控系統(tǒng)，通過與相連的傳感器和執(zhí)行機構完成對換熱器和其它現場設備的數據采集和控制功能;該系統(tǒng)可獨立工作，也可接受中央管理工作站的監(jiān)督控制。熱網首站控制系統(tǒng)完成的主要控制功能如下:
(1) 室外溫度曲線
將一天分為幾個供熱時段，每一時段設定一期望室內溫度。然后工控機根據室大氣溫度的變化來自動調節(jié)供、回水溫度的平均值，并根據典型用戶室內溫度的平均值自動修正供熱系數，從而保證室內溫度等于設定值。操作員也可以任意設定供水溫度曲線或平移已有曲線。采用此方式可以足夠精確的設定用戶供水溫度曲線，同時不需要進行曲率、斜率等復雜計算，從而降低工程和維護工作量。
(2) 溫度控制回路
根據室外溫度設定二次供水溫度設定值，控制一次側電動調節(jié)閥調節(jié)流量滿足二次側供水溫度的要求?？梢酝ㄟ^操作面板和監(jiān)控系統(tǒng)修改或上下平移溫度曲線;也可以通過時間程序移動溫度曲線。提供室外溫度傳感器故障保護。
(3) 二次網循環(huán)泵控制
通過采集系統(tǒng)總出、回水溫度的溫差、各區(qū)用戶系統(tǒng)回水溫度溫差與系統(tǒng)設計溫差進行比較，通過變頻器自動調節(jié)循環(huán)泵的轉速，實現對系統(tǒng)總流量和溫度的調節(jié)。使循環(huán)水泵按照實際負荷輸出功率，減少不必要的電能損失，實現小流量大溫差的運行模式。通過此舉，可以及時地把流量、揚程調整到需要的數值上，消除多余的電能消耗，從而達到良好的節(jié)能效果。
設計兩臺變頻泵不僅是為了系統(tǒng)備用，也是為了防止系統(tǒng)超調。如果負荷不夠，則泵的轉速加大，達到100％時還不滿足要求，則啟動第二臺泵。如果泵反饋信號不等于輸出信號或者任意泵報警，產生“維護報警”信號。如果所有泵均報警，產生“無可用泵”信號。根據運行時間自動切換各循環(huán)泵。同時也提供低水壓保護和連鎖功能。
(4) 補水泵控制
補水控制采用的是恒壓控制，即對補水泵進行變頻調速控制使供、回水管道保持恒定的壓力。
(5) 回水溫差和流量限制
通過限制換熱器一次側電動調節(jié)閥的閥位來控制一、二次側的回水溫差以及一次側流量，通過該功能可以避免因搶水引起的換熱機組間的不平衡狀態(tài)，消弱極端情況下的峰值，有效的控制由于時間段等原因造成的浪涌現象。有利于提高換熱效率，達到節(jié)能效果。

4 系統(tǒng)硬件配置
為了滿足換熱首站自控系統(tǒng)的設計要求，我們選用abb變頻器和西門子公司simatic s7-300可編程控制器(plc)構成的自控系統(tǒng)，來實現換熱首站自控系統(tǒng)的各項功能。
近幾年隨著電子技術的飛速發(fā)展，變頻調速技術已從u/f比控制、電壓空間矢量控制，發(fā)展到無速度傳感器的直接轉矩控制(dyc),功率開關器件從gto、gtr、igbt,發(fā)展到igct，變頻器的優(yōu)點在各個領域應用中被充分地證實。在熱網控制中也逐步引入了變頻調速技術，利用該技術對熱網中的循環(huán)泵機補水泵進行無級變速控制，得到了顯著的節(jié)能效果。
當前可編程控制器(plc)是專為工業(yè)環(huán)境下應用而設計的工業(yè)控制計算機，已經成為電氣控制系統(tǒng)中應用最為廣泛的核心位置，它不僅能實現復雜的邏輯控制，還能完成各種順序或定時的閉環(huán)控制功能，并且抗干擾能力強、可靠性高、穩(wěn)定性好、體積小，能在惡劣環(huán)境下長時間、不間斷運行，且編程簡單，維護方便，并配有各類通訊接口與模塊處理，可方便各級連接。

5 結束語
本文討論了基于變頻器及可編程控制器的換熱站自控系統(tǒng)的設計與實現，充分發(fā)揮了變頻器的無極變速和節(jié)能的優(yōu)點，充分發(fā)揮了可編程控制器配置靈活、控制可靠、編程方便和可現場調試的優(yōu)點，使整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性有了可靠保障。通過對熱網首站自動控制系統(tǒng)的投運，熱網首站過去主要依靠人工調節(jié)的控制手段得到了徹底改善，熱網首站運行得到合理控制，失調現象得到了有效地解決，消除了熱網中各站冷熱不均的現象。按需供熱、節(jié)能降耗，改變了不合理的小溫差大流量運行方式，即保證了遠端客戶的供熱需要又避免了近端用戶的過熱現象這直給企業(yè)帶來了經濟效益的提高。