换热站联动控制系统方案

       供热事业是民生工程，同时又是国家节能减排的重要组成部分。换热站作为供热系统中重要的分配单元，其工作性能和输配效率决定着供热质量高低和市民用热舒适度和满意度，以及节能效果。因此，优化和提成换热站自控系统的智能化水平是供热企业整改措施的重要环节。

1、   换热站系统现存问题

1.1软硬件标准化问题

       换热站通常有1-4套换热机组，供应商在换热站系统配置时，为节约成本尽可能降低配置（如多机组共用热表、水表、电表、PLC），这样造成每个换热站的软件、硬件设计方案不一致、数据协议标准不一致、工业组态软件地址不一致，一旦出现问题根本无从查起。

1.2数据准确性问题

       PLC系统构建换热站控制系统时，传感器多数采用的是4-20mA的信号，如压力、温度、液位、变频器频率等，这些信号在传输过程受到干扰、线路损耗、PLC进行A/D转换的第个过程都容易造成失真，严重情况温度的偏差值±1℃以上，目前多数企业仅解决了数据有没有的问题，数据的准确性需要进一步的完善。

1.3数据统计分析不精准

       多数热力企业的统计分析也仅仅换热站级的数据统计，很难做到机组级的统计分析，主要原因是缺少单个机组的计量装置（热表、补水表、电能表），只有做到机组级别的数据统计分析，才能进一步的优化未来的控制参数。

1.4多系统共存问题

       热力企业不仅有可能存在多套供热平台、收费系统、客服系统，各系统之间数据无法互通，系统联动难，同时也造成系统维护的工作量增大。

 

2、   换热站自控系统改造目标

2.1软硬件标准化、模块化

2.1.1换热机组硬件标准化设计，每个换热机组均设置单独计量装置（热、电、水），PLC硬件标准化设计，统一硬件标准。

2.1.2通讯协议、数据格式标准化，针对换热机组、二网阀、用户室温、用户热表定义其数据格式、地址，其中包括压力、温度、流量、热量、电量、液位、频率、电流等。

2.2数据更新、存储周期标准化

      依据换热机组、热源、二网平衡系统、用户室温监控系统、用户热计量系统特性，有针对性的对各子系统制定数据更新周期及数据存储周期。

	更新周期	存储周期	备注
热源	≤1秒	1次/分钟
换热机组	≤1秒	1次/分钟
二网平衡阀	≤2分钟	≤2分钟	设备更新数据同时进行数据存储
用户室温	≤30分钟	≤30分钟
用户热表	≤1天	≤1天

2.3系统计量精度标准化

       设定温度、压力、流量、热量、电量、补水量等数据的计量标准，依据各种传感器及PLC自动化的特性制定各种类型传感器的系统计量精度。

名称	单位	显示小数位	系统测量精度
温度	摄氏度（℃）	0.01℃	±0.1℃
压力	公斤（Bar）	0.01Bar	±0.03Bar
热量	吉焦(GJ)	0.1GJ	±1%（一级表）
瞬时热量	吉焦/小时（GJ/h）	0.1GJ/h	±1%（一级表）
水流量	立方米(m3)	0.1m3	±2%（二级表）
瞬时水流量	立方米/小时（m3/h）	0.1m3/h	±2%（二级表）
电量	度（KWH）	0.1KWH	有功1级、无功2级
功率	千瓦（KW）	0.1KW	1级
电压	伏特（V）	0.1V	±0.1V
电流	安培（A）	0.1A	±0.1A
电机频率	频率（Hz）	0.01Hz	±0.01Hz

2.4 换热机组及二网平衡系统依据用户室温监控系统的数据反馈，自动调节机组的及楼栋的供给量。

2.5 以实现大网平衡为目标，同时兼顾换热机组运行安全：管网压力安全、系统安全、设备安全。

 

3、   换热站自控系统改造方案

3.1 以利旧为主，尽可能使用现有的自控产品：PLC、触摸屏、低压电器等，降低改造成本。

3.2 以机组为单元，每套换热机组对应一套自控系统，PLC程序、触摸屏、通讯协议、数据格式标准一致。

3.3 每个机组分别安装计量装置：一网热能表、二网流量计、补水表、电计量表。

3.4 通Modbus过通讯采集变频器的输出频率、输出电流、运行、故障等信息。

 

4、   换热机组自控系统硬件组成

 换热机组的自控系统包括：PLC、触摸屏、Modbus路由、传感器、仪表，主要采集数据如下：

序号	数据	来源	信号类型	序号	数据	来源	信号类型
1	一次网供水温度	温度传感器	RS485-Modbus	22	二次备循环泵频率	循环泵变频器	RS485-Modbus
2	一次网回水温度	温度传感器	RS485-Modbus	23	二次备循环泵功率		RS485-Modbus
3	一次网供水压力	压力传感器	RS485-Modbus	24	二次备循环泵电流		RS485-Modbus
4	一次网回水压力	压力传感器	RS485-Modbus	25	补水泵累计流量	补水表	RS485-Modbus
5	一次过滤器后压力	压力传感器	RS485-Modbus	26	主补水泵频率	主补水泵变频器	RS485-Modbus
6	一次网瞬时流量	热能表	RS485-Modbus	27	主补水泵功率		RS485-Modbus
7	一次网累计流量		RS485-Modbus	28	主补水泵电流		RS485-Modbus
8	一次网瞬时热量		RS485-Modbus	29	备补水泵频率	备补水泵变频器	RS485-Modbus
9	一次网累计热量		RS485-Modbus	30	备补水泵功率		RS485-Modbus
10	一次电动阀开口度	电动调节阀	4-20mA	31	备补水泵电流		RS485-Modbus
11	二次网供水温度	温度传感器	RS485-Modbus	32	水箱水位	液位传感器	4-20mA
12	二次网回水温度	温度传感器	RS485-Modbus	33	有功功率	电能表	RS485-Modbus
13	二次网供水压力	压力传感器	RS485-Modbus	34	无功功率		RS485-Modbus
14	二次网回水压力	压力传感器	RS485-Modbus	35	视在功率		RS485-Modbus
15	二次过滤器后压力	压力传感器	RS485-Modbus	36	总功率因数		RS485-Modbus
16	二次网泵出口压力	压力传感器	RS485-Modbus	37	U相电压		RS485-Modbus
17	二次网瞬时流量	流量计	RS485-Modbus	38	V相电压		RS485-Modbus
18	二次网累计流量		RS485-Modbus	39	W相电压		RS485-Modbus
19	二次网主循环泵频率	主循环泵变频器	RS485-Modbus	40	U相电流		RS485-Modbus
20	二次网主循环泵功率		RS485-Modbus	41	V相电流		RS485-Modbus
21	二次网主循环泵电流		RS485-Modbus	42	I相电流		RS485-Modbus
				43	水浸报警	浸水传感器	开关信号

 

       通过触摸屏HMI显示上表所有参数，根据用户需求可自行配置：就地远程操作、水泵起停、一网阀手自动控制、上下限液位、补水压力上下限等各种功能。

PLC系统可依据设定的参数自动运行：二次网温度与一次网调节阀的PID调节；补水泵自动补压；水箱自动补水；管网自动泄压等功能。

系统硬件配置方案：

 

4.1电气控制柜

柜体上需配有锁，所有锁用同一把钥匙。柜体外壳采用不小于2.0mm厚的钢板，配件采用电焊或螺栓组装。柜体装配后行除锈酸洗、磷化处理、清洗，然后喷塑。依照加工要求，柜子应整洁布局合理，在制造设备之前应画出图纸并提供给买方。

防护等级应不低于IP54；控制柜配备巡检按钮，记录巡检时间及次数。

控制柜为成套供货，除前述已有的设备外，全部配件均须全套配齐。并且应提供控制柜的外形图、内部布置图、设备及元器件清单等资料。

控制柜为单面前开门式，柜内设备、器件、配件等不允许采用背面紧固的方式安装。

按电源种类分别设电源总开关，各用电回路分开关根据负荷情况选配。电源开关采用优质的小型空气断路器。

柜内继电器采用优质的小型功率电磁继电器，形式为插件式，接线插座采用螺栓压接式。

24V直流电源采用高品质产品，纹波电压小于50mV，正常使用容量小于其额定值的70%，输出与输入必须电隔离。

柜内配线应采用汇线槽方式，线芯截面积应根据通过的电流大小进行选配，配线颜色按信号种类，根据国家标准配置。接线端子应采用压接式接线端子，接线时须按顺序排号，并贴有端子标鉴，标签不可擦除。AI回路必须配保险端子进行保护。

信号、屏蔽接地均应采用与柜体接地的铜排连接方式。

柜内应设有电源工作指示灯、控制器运行指示灯、门控照明灯、门控排风扇、门锁等。

每个控制器柜对辖区的在线检测仪表提供220VAC或24VDC工作电源。

柜内来自于室外的进线需有防雷设备（包括通讯线路，电源进线，仪表信号输入，仪表供电线路）。

 

4.2 PLC技术资料

PLC采用西门子SMART200系列SR30，配置1ⅹ模拟量EM-AM03模块、1ⅹSB-CM01/485扩展卡。

SMART200 SR30基本技术参数
外形尺寸（mm）		110 x 100 x 81
用户	程序存储区	18K字节
存储区	数据存储区	12K字节
	保持存储区	10K字节
本机数字量I/O		18输入/12输出
信号板扩展		1
信号模块扩展		6
高速计数器		6（全部）
脉冲捕捉输入		14 （加信号板 16）
存储卡		microSD卡（可选）
实时时钟精度		± 120 秒 / 月
实时时钟保持时间		7天 典型值 / 6天 最小
PID 回路
供电能力（mA）		1400 mA(5 V DC)

 

4.3 触摸屏HMI

 TPC1031Ni，是以Cortex-A7多核CPU为核心、主频1GHz的智能物联网触摸屏，该产品设计采用10.1英寸TFT液晶显示屏，分辨率1024*600，四线电阻式触摸屏。

4.4 ModbusRouter资料

²   MODBUS-ROUTER的SLAVE端配置有1路RJ45接口和一个RS485接口，支持TCP/IP及RS485-MODBSU RTU从站协议，主要用于与PLC（或上位机）连接。

²  MODBUS-ROUTER每个端口都采用电源隔离、光耦隔离，保护现场各类设备发生时也不会相互影响。

²  MODOUS-ROUTER每个COM端口均可配置不同的参数，支持多种MODBUS配置参数，支持MODBUS主站协议与各类仪表设备连接。

²  MODBUS-ROUTER可根据配置的参数自动完成数据读写，并将现场设备的数据信息映像至内存数据区域。

²  MODBUS-ROUTER配置的通讯故障寄存器，针对每条通讯指令的状态都存有记录，PLC(或上位机)可一次性的读取每条指令的通讯状态。

 

4.5 压力传感器

压力传感器采用电阻桥式压力传感器和24位ADC，校准压力，主要用于高分辨率和精确的压力测量。

 

4.6 温度传感器

温度传感器采用高精度测温芯片，测温范围为-55°C 到+125°C，测量精度±0.1°C。

基本参数
供电电压	DC24V
测量范围	-20~125℃
测量精度	-20℃~125℃	±0.5℃
	10℃~85℃	±0.1℃
电气联接方式	赫斯曼接头
通讯协议	RS485-ModbusRTU（从站协议）
IP防护	IP66
安装方式	G1/2螺纹

 

4.7超声热量表

Ø  热量表主要用于测量一次网管道内热量，主要由流量计、能量积算仪、温度传感器及温度传感器安装护套组成。

Ø  *热量表需具有《中华人民共和国计量器具型式批准证书》；

Ø  管道材质：铸铁

Ø  温度范围：4-130℃

Ø  温差范围：3-70℃

Ø  公称压力：PN16

Ø  准确度：2级

Ø  防护等级：IP68

Ø  温度传感器类型：PT1000

Ø  工作电源：220VAC、24VDC或3.6V锂电池

Ø  功耗:<0.4mW

Ø  显示：液晶显示器，8位数字+提示符

Ø  通讯方式：RS485-ModbusRTU

Ø  声道数量：*流量计部分采用四声道

Ø  数据存储：按月存储热量、累积流量和相对应的时间及当月热功率，可存储最近24个月的数据

 

4.8 二网流量计

二网流量计用于测量二次网的流量，对于测量精度要求低于热能表，使用外夹式流量计即可。

4.9电动调节阀

主要用于一级网流量调控，一般安装于一级网回水管线。主要包括执行器及阀体两部分。

阀体技术要求

1)材质

Ø  阀体：灰铸铁GJL-250（HT250）或  球墨铸铁GJL-400-18（QT400-15）

Ø  阀盖：Q235-B或灰铸铁EN-GJL-250（HT250）

Ø  阀杆：不锈钢

Ø  法兰连接

Ø  压力等级PN16，其流通能力（Kvs值）及口径必须满足工艺流量的要求。

Ø  符合2014/68/EU标准要求

2)性能

Ø  流量特性为等百分比特性

Ø  阀杆向下动作为开阀，向上动作为关阀

Ø  阀体高控制比，可调范围须≥50：1

Ø  泄漏率要求：泄漏率＜Kvs值的0.05％

Ø  压力平衡型阀芯设计；

Ø  关闭压差达到1.6 MPa

Ø  阀杆处为可更换的填料盒式密封，密封材料为EPDM

Ø  介质温度范围2~130℃

Ø  符合2014/68/EU标准要求

3）驱动器要求：

Ø  驱动器须水平或垂直安装；

Ø  驱动器电源为24V ±10%，50/60Hz；

Ø  驱动器由双向同速电机驱动，齿轮传动；

Ø  防护等级IP54；

Ø  工作环境温度0~55℃，储存和运输环境温度-40~70℃

Ø  驱动器断电时应保持在原位；

Ø  为避免驱动器及阀体破坏，电机具有过载保护功能；

Ø  可机械手动操作且操作时

Ø  驱动器上具有行程位置指示功能；

Ø  动作速度：8s/mm；

Ø  通过标准工具进行手动操作；

Ø  可将信号分割控制，确保两个调节阀并联使用时，用同一信号实现两个阀门顺序开启；

Ø  控制信号为标准的模拟量信号，0(2)-10V或0(4)-20mA可选；

Ø  反馈信号为0(2)-10V或0(4)-20mA；

Ø  驱动器开与关两个方向的运行速度相同，以便温度控制的稳定；

Ø  控制方式为模拟量控制和三点控制方式可选；

Ø  可正/反向选择控制；

Ø  具有阀门行程自检功能，以减少调试时间

Ø  驱动器动作与信号响应特性：出厂默认为LOG特性，可现场调试时切换成线性特性；

Ø  CE认证标识：符合低电压指令（LVD）20014/35/EU： EN 60730-1, EN 60730-2-14 电磁兼容指令（EMC） 2014/30/EU： EN 61000-6-2, EN 61000-6-3

 

4.10 补水水表

补水水表主要用于计量单个机组的补水累计量，没有瞬时流量测量的需要。使用旋翼式水表具有成本低廉、计量精度高的特点。

 

基本参数
材质	铸铁
精度等级	2级
工作温度	0-30℃
工作压力	1.0Mpa
通讯接口	RS485-ModbusRTU
波特率	9600kbit/s
工作电源	DC12V~DC24V
防护等级	IP65

 

4.11多功能电表

Ø  多功能电表主要用于单套机组的用电量统计，遵循ModbusRTU协议规约，采用的数据包括电压、电流、功率、有功电能、无功电能等数据

Ø  导轨式安装

Ø  输入电压：三相四线，3*380V

Ø  精度等级：误差±0.2%

Ø  可采集电压、电流、有功功率、无功功率、电量等；

Ø  环境温度：-25℃~+55℃

Ø  相对湿度：≤95%（无凝露）

Ø  支持标准MODBUS协议、RS485接口；

Ø  有功电能精度：0.5S级

Ø  显示功能：具有8段位式LCD显示、背光显示

Ø  LED报警指示：具有失压、过压报警

Ø  输出信号：1路开关量输出

Ø  外置互感器

 

4.12 液位变送器

Ø  推荐品牌：安徽天康、冠诚仪表、四川仪表厂

Ø  精度等级：0.5%FS；

Ø  输出信号：4-20mA；

Ø  显示：带液晶显示

Ø  供电电源：24V·DC

Ø  环境温度：-40℃～80℃

Ø  介质温度：-40℃～80℃

Ø  相对湿度：0～95%

Ø  量程：0～4m

Ø  稳定性：量程的±0.1%（1年）

 

4.13 泄压及补水电磁阀

Ø  阀体材质：黄铜

Ø  阀芯材质：不锈钢

Ø  阀芯套筒：不锈钢

Ø  弹簧材质：不锈钢

Ø  密封材料：EPDM

Ø  连接方式：螺纹连接

Ø  闭合形式：电开常闭

Ø  承压能力：PN16

Ø  供电电源：AC220V

Ø  介质温度：-30-140℃

Ø  环境温度：80℃

Ø  防护等级：IP67

Ø  结构形式：先导式，内置先导过滤器，用于保护先导系统