本發(fā)明屬于換熱站控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種換熱站自動控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

集中供熱是國家大力推廣的節(jié)能和環(huán)保措施，隨著城市集中供熱規(guī)模的不斷擴大，科學(xué)的管理熱力管網(wǎng)具有非常重大的經(jīng)濟和社會效益。換熱站和熱水管網(wǎng)是連接熱源和熱用戶的重要環(huán)節(jié)，在整個供暖系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用。

目前的我國采暖系統(tǒng)比較落后，具體體現(xiàn)在供暖質(zhì)量差，即室溫冷熱不均，系統(tǒng)效率低下，而且用戶不能自行設(shè)定和調(diào)節(jié)室溫等；缺乏控制手段，只有簡單的調(diào)節(jié)手段，沒有恒溫裝置，供熱不足和過度時，沒有有效的調(diào)節(jié)手段；缺乏計量手段，沒有計量收費造成用戶不主動節(jié)能，也造成管理人員缺少數(shù)據(jù)來運行管理。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提出一種換熱站自動控制系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明為完成其發(fā)明任務(wù)采用如下技術(shù)方案：

一種換熱站自動控制系統(tǒng)，包括：對換熱站的溫度調(diào)節(jié)控制裝置、對換熱站的循環(huán)系統(tǒng)自動控制裝置，對換熱站的補水調(diào)節(jié)控制回路自動控制裝置；對換熱站的溫度調(diào)節(jié)控制裝置、循環(huán)系統(tǒng)自動控制裝置、補水調(diào)節(jié)控制回路自動控制裝置由信息采集模塊、分析處理模塊、控制模塊、觸摸顯示屏組成，信息采集模塊的溫度信號采集端通過信號線與固定在換熱機組上的一次側(cè)和二次側(cè)供回水的各溫度傳感器相連，通過信號線與室外環(huán)境的溫度傳感器相連，信息采集模塊的壓力信號采集端通過信號線與固定在換熱機組上的一次側(cè)和二次側(cè)供回水的各壓力傳感器相連，信息采集模塊的輸出端通過分析處理模塊與觸摸顯示屏相連，分析處理模塊的控制端通過控制線與控制模塊相連，控制模塊的閥執(zhí)行端分別通過電纜線與換熱機組上的一次側(cè)電動調(diào)節(jié)閥控制端、泄壓閥控制端、補水閥控制端相連，控制模塊的泵執(zhí)行端分別通過電纜線與換熱機組上的1號補水泵、2號補水泵、1號循環(huán)水泵、2號循環(huán)水泵相連；控制模塊的變頻執(zhí)行端分別通過電纜線與補水泵變頻器、循環(huán)水泵變頻器相連；補水泵變頻器輸出端分別通過電纜線與1號補水泵、2號補水泵相連；循環(huán)水泵變頻器輸出端分別通過電纜線與1號循環(huán)水泵、2號循環(huán)水泵相連；分析處理模塊傳輸端通過信號線與遠程監(jiān)控接口相連。

一種換熱站自動控制系統(tǒng)，所述對換熱站的溫度調(diào)節(jié)控制裝置，由換熱器一次側(cè)的電動調(diào)節(jié)閥、二次側(cè)恒定的供水溫度傳感器、分析處理模塊、調(diào)節(jié)閥PID模塊、控制模塊、觸摸屏組成，所述觸摸屏通過分析處理模塊、調(diào)節(jié)閥PID模塊、控制模塊與換熱器一次側(cè)的電動調(diào)節(jié)閥相連；分析處理模塊的溫度采集端通過信號線與二次側(cè)恒定的供水溫度傳感器連；所述觸摸屏的人機交互界面上設(shè)置有供水溫度1、2、3、4設(shè)定觸摸鍵、調(diào)節(jié)閥的PID參數(shù)比例增益、積分時間、微分時間設(shè)定觸摸鍵。

一種換熱站自動控制系統(tǒng)，對換熱站的循環(huán)系統(tǒng)自動控制裝置，由固定在換熱機組上的二次側(cè)供水壓力傳感器、二次側(cè)回水壓力傳感器、分析處理模塊、調(diào)節(jié)閥PID模塊、控制模塊、循環(huán)水泵、變頻器、泄壓閥組成，所述觸摸屏通過分析處理模塊、調(diào)節(jié)閥PID模塊、控制模塊與變頻器相連，變頻器的輸出端分別與1#循環(huán)水泵、2#循環(huán)水泵相連；分析處理模塊的壓力采集端分別通過信號線與二次側(cè)供水壓力傳感器、二次側(cè)回水壓力傳感器相連，分析處理模塊的控制端通過控制模塊與泄壓閥相連；所述觸摸屏的人機交互界面上設(shè)置有二次側(cè)供回水壓差設(shè)定觸摸鍵、超壓保護泄壓設(shè)定觸摸鍵、循環(huán)泵PID比例增益設(shè)定觸摸鍵、循環(huán)泵PID微分時間設(shè)定觸摸鍵。

一種換熱站自動控制系統(tǒng)，對換熱站的補水調(diào)節(jié)控制回路自動控制裝置，由固定在換熱機組上的二次側(cè)回水壓力傳感器、水箱液位傳感器、分析處理模塊、調(diào)節(jié)閥PID模塊、控制模塊、補水泵、補水閥、變頻器、觸摸屏組成，所述觸摸屏通過分析處理模塊、調(diào)節(jié)閥PID模塊、控制模塊與變頻器相連，變頻器的輸出端分別與1#補水泵、2#補水泵相連，1#補水泵、2#補水泵的信號端分別通過信號線與控制模塊相連；分析處理模塊的回水壓力采集端通過信號線與二次側(cè)回水壓力傳感器相連，分析處理模塊的液位端通過信號線與水箱液位傳感器相連；分析處理模塊的控制端通過控制模塊與補水閥相連；所述觸摸屏的人機交互界面上設(shè)置有二次側(cè)回水壓力設(shè)定觸摸鍵、水箱缺水保護設(shè)定觸摸鍵、補水泵PID比例增益設(shè)定觸摸鍵、補水泵PID微分時間設(shè)定觸摸鍵。

一種換熱站自動控制系統(tǒng)，所述分析處理模塊包括：有效性判斷處理模塊、濾波處理處理模塊、量值變換處理模塊、PID計算處理模塊，所述有效性判斷處理模塊通過濾波處理處理模塊、量值變換處理模塊與PID計算處理模塊相連；PID計算處理模塊數(shù)據(jù)端分別與存儲模塊、觸摸顯示屏相連。

一種換熱站自動控制系統(tǒng)，所述控制模塊由驅(qū)動水泵模塊、驅(qū)動調(diào)節(jié)閥模塊、控制變頻器模塊、報警判斷模塊組成。

一種換熱站自動控制系統(tǒng)，所述觸摸顯示屏，包括圖形化人機交互界面，人機交互界面上設(shè)置有供水溫度設(shè)定觸摸鍵、調(diào)節(jié)閥的PID參數(shù)設(shè)定觸摸鍵、水泵的PID參數(shù)設(shè)定觸摸鍵及回水壓力觸摸鍵、供回水壓差觸摸鍵、失壓保護值觸摸鍵。

一種換熱站自動控制系統(tǒng)，所述遠程監(jiān)控接口由RS485數(shù)據(jù)通訊接口、模擬量輸出接口、綜合報警數(shù)字量輸出接口組成。

一種換熱站自動控制方法，是通過采集大量的物理量壓力、溫度、流量、液位的模擬量參數(shù)，并通過控制模塊對這些實時采集的模擬量參數(shù)進行自動控制處理，實現(xiàn)整個小區(qū)換熱供暖系統(tǒng)的實時監(jiān)控及自動控制，其步驟如下：

1）對換熱站系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)控制，就是采用二次側(cè)有一個恒定的供水溫度，在換熱器一次側(cè)安裝的電動調(diào)節(jié)閥的主要功能是通過調(diào)整閥門開度，調(diào)整一次管網(wǎng)熱水流量，控制換熱器的二次供熱量，保證供熱質(zhì)量；一次側(cè)電動調(diào)節(jié)閥的控制原理，是控制器根據(jù)觸摸顯示屏設(shè)置的溫度與實際的二次網(wǎng)供水溫度進行比較，并進行PID運算，將運算結(jié)果輸出到調(diào)節(jié)閥4-20mA信號對應(yīng)調(diào)節(jié)型電動閥0~100%的開度，通過調(diào)整一次側(cè)電動調(diào)節(jié)閥的開度來實現(xiàn)溫度的穩(wěn)定；

⑴手動控制

手動控制方式為現(xiàn)場人員手動選擇控制模式，在觸摸屏上輸入調(diào)節(jié)閥的開度設(shè)定值，從而改變控制模塊4-20mA的輸出值，

當處于調(diào)節(jié)型電動閥的開度設(shè)定值增大時，控制模塊持續(xù)緩慢地增大mA的值，直至輸出設(shè)定值對應(yīng)的mA值后，調(diào)節(jié)型電動閥開大至設(shè)定的開度；

當處于調(diào)節(jié)型電動閥的開度設(shè)定值減小時，控制模塊持續(xù)緩慢地減小mA的值，直至輸出設(shè)定值對應(yīng)的mA值后，調(diào)節(jié)型電動閥關(guān)閉至設(shè)定的開度；

當系統(tǒng)失電時，電動調(diào)節(jié)閥關(guān)閉；

⑵自動控制

自動控制方式為現(xiàn)場人員手動選擇控制模式，運用PID跟蹤控制功能自動對一次側(cè)高溫水管網(wǎng)出口電動調(diào)節(jié)閥進行控制，實現(xiàn)換熱器二次側(cè)熱水出口溫度的自動控制，滿足用戶室溫要求；

PID算法：PID跟蹤控制功能為比例、積分、微分控制；在連續(xù)控制系統(tǒng)中，模擬PID的控制規(guī)律形式為（3-1）

式（3-1）中，是偏差輸入函數(shù)；是調(diào)節(jié)器輸出函數(shù)；是比例系數(shù)；是積分時間常數(shù)；是微分時間常數(shù)；式（3-1）為模擬量表達式，經(jīng)離散后的差分方程為

（3-2）

式中，T是采樣周期；k是采樣序號，k=0，1,2…i；u<k>是采樣時刻k時的輸出值；e（k）是采樣時刻k時的偏差值；e（k-1）是采樣時刻k-1時的偏差值。將式（3-2）簡化為遞推關(guān)系式形式：

（3-3）

式（3-3）中，S_p是調(diào)節(jié)器設(shè)定值；是采樣時刻k時的反饋值；是采樣時刻k-1時的反饋值；是采樣時刻k-2時的反饋值；式（3-3）用作編程算法使用；

根據(jù)換熱站系統(tǒng)對溫度的調(diào)節(jié)控制要求，對PID參數(shù)進行設(shè)置，首先設(shè)置比例系數(shù)K_p和積分T_i、微分時間T_D，觸摸顯示屏中開放窗口，操作人員能夠通過觸摸修改，預(yù)先定義“供水溫度1設(shè)定、供水溫度2設(shè)定、供水溫度3設(shè)定、供水溫度4設(shè)定，即根據(jù)不同環(huán)境和季節(jié)下的室外溫度設(shè)定了4個期望值，觸摸顯示屏中開放窗口，操作人員可觸摸修改為期望設(shè)定值S_p，通過設(shè)定值S_p和實際測量值f（k）的二次網(wǎng)供水溫度k比較，來計算控制偏差e（k），將控制偏差轉(zhuǎn)換為受控變量u< k >輸出到調(diào)節(jié)閥控制閥門開度，進而來改變實際測量值f（k）的二次網(wǎng)供水溫度k，以便能快速平穩(wěn)地將實際測量值fk調(diào)整到設(shè)定值，保證二次側(cè)有一個恒定的供水溫度；

2. 對換熱站系統(tǒng)循環(huán)系統(tǒng)的自動控制

循環(huán)系統(tǒng)的自動控制是負責二次網(wǎng)系統(tǒng)的供回水加壓，以滿足熱水供至管路終端用戶，是通過壓力信號控制變頻器輸出，從而控制循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速，來實現(xiàn)對二次網(wǎng)供水壓力的控制，以維持壓差設(shè)定值；

當一臺循環(huán)泵無法通過變頻加壓達到所要求的壓力時，控制器使另一臺備用泵投入使用進行加壓，最終實現(xiàn)智能化的恒壓控制；泄壓閥能夠進行手動和自動控制，當二次側(cè)的回水壓力超過設(shè)定值，即觸摸顯示屏中開放窗口，操作人員的觸摸修改值時，自動打開泄壓閥；或根據(jù)需要手動打開泄壓閥，避免二次側(cè)壓力過大，達到對管路的有效保護。各功能模塊之間的組成關(guān)系；

⑴循環(huán)泵的變頻控制

循環(huán)泵的變頻控制采用PID調(diào)節(jié)控制，是運用PID跟蹤控制功能自動對循環(huán)泵電動機的頻率進行控制，實現(xiàn)換熱器二次側(cè)熱水管網(wǎng)供回水壓差的恒定控制，滿足用戶室溫要求并達到了節(jié)能、降耗、綠色環(huán)保的效果；

PID算法同（式3-3），對PID參數(shù)進行設(shè)置，首先設(shè)置比例系數(shù)K_p和積分T_i、微分時間T_D，即觸摸顯示屏中開放窗口的修改值，預(yù)先定義的二次網(wǎng)供回水壓差設(shè)定的觸摸顯示屏中開放窗口的修改值，為期望設(shè)定值Sp，安裝在二次管網(wǎng)供水側(cè)的壓力傳感器和回水側(cè)的壓力傳感器將水壓信號變成電信號4-20mA送給處理模塊計算出壓差值，即實際檢測值，PID控制器根據(jù)壓差設(shè)定值與實際檢測值進行PID計算并輸出信號到控制模塊，控制模塊向變頻器發(fā)出電信號指令4-20mA，從而變頻器控制循環(huán)泵電動機的頻率；

當實際檢測值二次壓差與預(yù)設(shè)值差值增大時，變頻器輸出頻率上升，循環(huán)泵工作在高頻率狀態(tài)，二次網(wǎng)回水壓力上升；

當實際檢測值二次網(wǎng)壓差與預(yù)設(shè)值差值減小時，變頻器輸出頻率下降，循環(huán)泵工作在低頻率狀態(tài)，二次網(wǎng)回水壓力下降；周而復(fù)始，完成對循環(huán)泵的PID跟蹤自動控制，使循環(huán)泵工作在一個比較穩(wěn)定的頻率狀態(tài)，實現(xiàn)換熱器二次側(cè)熱水管網(wǎng)供回水壓差的恒定控制；

⑶泄壓閥的控制

包括手動和自動控制，控制柜面板上的操作按鈕置于手動位，開始泄壓，在操作人員或值班人員發(fā)現(xiàn)二次側(cè)管網(wǎng)壓力過高，超過安全值時采用手動泄壓；置于自動位，二次側(cè)回水壓力高于觸摸顯示屏設(shè)定的超壓保護泄水壓力，打開泄壓閥，低于保護壓力，關(guān)閉泄壓閥；保護總管路和用戶管路，免于高壓對管路沖擊造成破壞，帶來不必要的安全和財產(chǎn)損失，通過對泄壓閥的控制，維持二次網(wǎng)水壓穩(wěn)定在安全范圍內(nèi)；

3.補水調(diào)節(jié)控制回路

使運行初期二次管網(wǎng)充滿水以及運行期間供熱系統(tǒng)正常的水泄漏量的補充、事故工況下的補水，以維持二次管網(wǎng)的正常供水壓力，是供熱系統(tǒng)運行循環(huán)的必要保證；

補水調(diào)節(jié)回路的自動控制是通過二次管網(wǎng)回水壓力傳感器和變頻器來控制補水泵的開啟、調(diào)節(jié)和停止，實現(xiàn)二次回水壓力的定壓自動控制；補水閥和水箱組成的供水裝置給補水提供了有力保證；

⑴補水泵變頻調(diào)速定壓控制

補水泵變頻調(diào)速定壓控制是根據(jù)供暖系統(tǒng)的補水壓力變化，改變補水泵電源頻率，平滑無極地調(diào)整補水泵轉(zhuǎn)速，進而及時調(diào)節(jié)補水量，實現(xiàn)系統(tǒng)回水壓力的恒定。補水泵的變頻控制也采用PID調(diào)節(jié)控制，PID算法同（式3-3），對PID參數(shù)預(yù)先進行設(shè)置；

壓力變送器將測出的二次網(wǎng)回水壓力信號反饋到處理模塊內(nèi)，與壓力給定值信號（二次網(wǎng)回水壓力設(shè)定）相比較，經(jīng)過PID計算輸出一個信號輸入到變頻器內(nèi)，變頻器再根據(jù)輸入信號值的大小，自動輸出給補水泵電動機相應(yīng)的頻率值(0-50Hz)，控制調(diào)節(jié)補水泵的轉(zhuǎn)速，使補水泵流量隨之變化。當補水泵出口壓力（即二次網(wǎng)回水壓力）低于給定壓力值時，供電頻率增加，補水泵轉(zhuǎn)速提高，流量增大；反之，流量則減少。如果超過給定壓力值則會自動停機。因此，通過控制補水泵轉(zhuǎn)速，改變補水泵流量，進而保證供暖系統(tǒng)壓力恒定。

⑵補水泵備用切換的自動控制

補水系統(tǒng)有兩臺補水泵，互為備用，控制轉(zhuǎn)換原理同循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)泵。仍采用控制模塊對采集的信息進行處理、分析、邏輯判斷并在補水泵故障或工作周期超長等情況時發(fā)出1#補水泵、2#補水泵互為切換的控制指令，控制邏輯如圖7所示。

①補水泵的變頻、工頻工作狀態(tài)切換：

補水泵優(yōu)先工作在變頻工作狀態(tài)，當控制模塊接收到變頻器的故障信號時，發(fā)出指令控制補水泵切換到工頻工作狀態(tài)，控制變頻器停止工作并發(fā)出報警指示。

②1#補水泵與2#補水泵的備用切換控制：

無論補水泵工作在變頻還是工頻狀態(tài)，當1#補水泵工作中出現(xiàn)故障時，控制模塊根據(jù)接收到的信息處理、判斷發(fā)出指令控制2#補水泵工作，并使1#補水泵停止工作、進行報警指示。反之亦然。

在換熱站運行期間，為確保補水泵設(shè)備保養(yǎng)工作進行，使設(shè)備處于良好狀態(tài)，控制模塊對1#泵的工作時間計時，等達到設(shè)定的工作時間后發(fā)出切換指令控制2#泵工作、1#泵停止工作進入保養(yǎng)狀態(tài)；

⑶補水水箱的控制

在補水水箱底部側(cè)面安裝一臺液位傳感器，用于測量水箱水位，水箱進水管道上安裝一臺電磁閥，用于水箱補水；當水箱水位低于設(shè)定時開啟電磁閥，當水箱水位高于設(shè)定時關(guān)閉電磁閥；實現(xiàn)自動供水，保證二次側(cè)及時補水，當液位過低時，發(fā)出報警，提醒工作人員及時檢修，避免出現(xiàn)二次側(cè)缺水，對系統(tǒng)造成不必要的損壞，起到有效地保護作用；

4. 人機交互系統(tǒng)

人機交互系統(tǒng)采用觸摸屏，通過通訊拓撲結(jié)構(gòu)與上位機處理模塊通訊，完成數(shù)據(jù)交換，既能監(jiān)視換熱機組的運行情況，也能調(diào)整換熱機組的運行狀態(tài)；觸摸顯示屏的界面包括工藝流程總圖顯示、調(diào)節(jié)回路顯示、設(shè)定值顯示、報警記錄、歷史趨勢圖顯示，及對歷史數(shù)據(jù)進行存儲與檢索；

工藝流程總圖顯示：畫面中顯示整個換熱機組工作全過程，實時顯示各工藝段的運行情況，包括該工藝流程圖、所有的設(shè)備狀態(tài)、所有的工藝參數(shù)以及各控制回路的詳細參數(shù)，以便于操作者能及時準確的掌握換熱機組的具體運行情況，能夠?qū)ΜF(xiàn)場設(shè)備的故障進行實時診斷；

所有的安全調(diào)節(jié)回路顯示：包括所有調(diào)節(jié)回路，能修改設(shè)定值、控制方式、調(diào)節(jié)參數(shù)；設(shè)定值顯示、報警記錄：包括所有調(diào)節(jié)回路及控制回路等的設(shè)定值、控制方式、調(diào)節(jié)參數(shù)及報警值；出現(xiàn)報警后操作人員能查閱報警歷史記錄，便于故障分析和排除；對歷史數(shù)據(jù)的存儲與檢索：對重要的數(shù)據(jù)進行在線存儲，通過歷史報表或者歷史趨勢曲線的方式來檢索歷史數(shù)據(jù)。

一種換熱站自動控制方法，所述換熱站系統(tǒng)的控制是采用PID跟蹤控制技術(shù)結(jié)合電動調(diào)節(jié)閥和變頻器來控制水的溫度和壓力，還采用控制模塊對采集的信息進行處理、分析、邏輯判斷并在循環(huán)泵故障或工作周期超長情況時發(fā)出1#循環(huán)泵、2#循環(huán)泵互相切換的控制指令，控制邏輯流程如下：

① 循環(huán)泵的變頻、工頻工作狀態(tài)切換：

循環(huán)泵優(yōu)先工作在變頻工作狀態(tài)，當控制模塊接收到變頻器的故障信號時，發(fā)出指令控制循環(huán)泵切換到工頻工作狀態(tài)，控制變頻器停止工作并發(fā)出報警指示；

②1#循環(huán)泵與2#循環(huán)泵的備用切換控制：

無論循環(huán)泵工作在變頻還是工頻狀態(tài)，當1#循環(huán)泵工作中出現(xiàn)故障時，控制模塊根據(jù)接收到的信息處理、判斷發(fā)出指令控制2#循環(huán)泵工作，并使1#循環(huán)泵停止工作、進行報警指示，反之亦然；

在換熱站運行期間，為確保循環(huán)泵設(shè)備保養(yǎng)工作進行，使設(shè)備處于良好狀態(tài)，控制模塊對1#泵的工作時間計時，等達到設(shè)定的工作時間后發(fā)出切換指令控制2#泵工作、1#泵停止工作進入保養(yǎng)狀態(tài)，提高了人性化、智能化程度，有利于設(shè)備保養(yǎng)，延長泵的使用壽命。

由于采用如上所述的技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下優(yōu)越性：

本發(fā)明換熱站自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)了無人值守的情況下遠程監(jiān)控參數(shù)，保證熱網(wǎng)的熱力平衡，供熱系統(tǒng)可以安全可靠地運行，并初步實現(xiàn)熱網(wǎng)熱量的計算。本系統(tǒng)具有以下的特點：1.采用了可靠性高，使用簡單、編程靈活的工控設(shè)備PLC和變頻器作為主要控制設(shè)備，在流量范圍內(nèi)利用變頻器的連續(xù)調(diào)節(jié)和水泵的調(diào)節(jié)相結(jié)合，確保恒壓供水；2.系統(tǒng)采取變頻調(diào)速方式實現(xiàn)恒壓、恒溫供水，節(jié)能效果明顯；3.采用PID調(diào)節(jié)方式，水壓波動小，響應(yīng)快；4. 實現(xiàn)了補水水箱故障、自來水停水、系統(tǒng)停電、循環(huán)泵異常、一次網(wǎng)停水等的故障保護。

附圖說明

圖1 為換熱站系統(tǒng)示意圖；

圖2 為換熱站自動控制系統(tǒng)示意圖；

圖3為一次側(cè)電動調(diào)節(jié)閥的控制系統(tǒng)示意圖；

圖4為循環(huán)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)示意圖；

圖5為循環(huán)系統(tǒng)保護控制邏輯圖；

圖6為補水調(diào)節(jié)控制回路系統(tǒng)圖；

圖7為補水泵備用切換控制邏輯圖。

具體實施方式

結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明加以說明：

如圖1、2、3、4、5、6、7所示，一種換熱站自動控制系統(tǒng)，包括：對換熱站的溫度調(diào)節(jié)控制裝置、對換熱站的循環(huán)系統(tǒng)自動控制裝置，對換熱站的補水調(diào)節(jié)控制回路自動控制裝置；對換熱站的溫度調(diào)節(jié)控制裝置、循環(huán)系統(tǒng)自動控制裝置、補水調(diào)節(jié)控制回路自動控制裝置由信息采集模塊、分析處理模塊、控制模塊、觸摸顯示屏組成，信息采集模塊的溫度信號采集端通過信號線與固定在換熱機組上的一次側(cè)和二次側(cè)供回水的各溫度傳感器相連，通過信號線與室外環(huán)境的溫度傳感器相連，信息采集模塊的壓力信號采集端通過信號線與固定在換熱機組上的一次側(cè)和二次側(cè)供回水的各壓力傳感器相連，信息采集模塊的輸出端通過分析處理模塊與觸摸顯示屏相連，分析處理模塊的控制端通過控制線與控制模塊相連，控制模塊的閥執(zhí)行端分別通過電纜線與換熱機組上的一次側(cè)電動調(diào)節(jié)閥控制端、泄壓閥控制端、補水閥控制端相連，控制模塊的泵執(zhí)行端分別通過電纜線與換熱機組上的1號補水泵、2號補水泵、1號循環(huán)水泵、2號循環(huán)水泵相連；控制模塊的變頻執(zhí)行端分別通過電纜線與補水泵變頻器、循環(huán)水泵變頻器相連；補水泵變頻器輸出端分別通過電纜線與1號補水泵、2號補水泵相連；循環(huán)水泵變頻器輸出端分別通過電纜線與1號循環(huán)水泵、2號循環(huán)水泵相連；分析處理模塊傳輸端通過信號線與遠程監(jiān)控接口相連。

所述對換熱站的溫度調(diào)節(jié)控制裝置，由換熱器一次側(cè)的電動調(diào)節(jié)閥、二次側(cè)恒定的供水溫度傳感器、分析處理模塊、調(diào)節(jié)閥PID模塊、控制模塊、觸摸屏組成，所述觸摸屏通過分析處理模塊、調(diào)節(jié)閥PID模塊、控制模塊與換熱器一次側(cè)的電動調(diào)節(jié)閥相連；分析處理模塊的溫度采集端通過信號線與二次側(cè)恒定的供水溫度傳感器連；所述觸摸屏的人機交互界面上設(shè)置有供水溫度1、2、3、4設(shè)定觸摸鍵、調(diào)節(jié)閥的PID參數(shù)比例增益、積分時間、微分時間設(shè)定觸摸鍵。

對換熱站的循環(huán)系統(tǒng)自動控制裝置，由固定在換熱機組上的二次側(cè)供水壓力傳感器、二次側(cè)回水壓力傳感器、分析處理模塊、調(diào)節(jié)閥PID模塊、控制模塊、循環(huán)水泵、變頻器、泄壓閥組成，所述觸摸屏通過分析處理模塊、調(diào)節(jié)閥PID模塊、控制模塊與變頻器相連，變頻器的輸出端分別與1#循環(huán)水泵、2#循環(huán)水泵相連；分析處理模塊的壓力采集端分別通過信號線與二次側(cè)供水壓力傳感器、二次側(cè)回水壓力傳感器相連，分析處理模塊的控制端通過控制模塊與泄壓閥相連；所述觸摸屏的人機交互界面上設(shè)置有二次側(cè)供回水壓差設(shè)定觸摸鍵、超壓保護泄壓設(shè)定觸摸鍵、循環(huán)泵PID比例增益設(shè)定觸摸鍵、循環(huán)泵PID微分時間設(shè)定觸摸鍵。

對換熱站的補水調(diào)節(jié)控制回路自動控制裝置，由固定在換熱機組上的二次側(cè)回水壓力傳感器、水箱液位傳感器、分析處理模塊、調(diào)節(jié)閥PID模塊、控制模塊、補水泵、補水閥、變頻器、觸摸屏組成，所述觸摸屏通過分析處理模塊、調(diào)節(jié)閥PID模塊、控制模塊與變頻器相連，變頻器的輸出端分別與1#補水泵、2#補水泵相連，1#補水泵、2#補水泵的信號端分別通過信號線與控制模塊相連；分析處理模塊的回水壓力采集端通過信號線與二次側(cè)回水壓力傳感器相連，分析處理模塊的液位端通過信號線與水箱液位傳感器相連；分析處理模塊的控制端通過控制模塊與補水閥相連；所述觸摸屏的人機交互界面上設(shè)置有二次側(cè)回水壓力設(shè)定觸摸鍵、水箱缺水保護設(shè)定觸摸鍵、補水泵PID比例增益設(shè)定觸摸鍵、補水泵PID微分時間設(shè)定觸摸鍵。

所述分析處理模塊包括：有效性判斷處理模塊、濾波處理處理模塊、量值變換處理模塊、PID計算處理模塊，所述有效性判斷處理模塊通過濾波處理處理模塊、量值變換處理模塊與PID計算處理模塊相連；PID計算處理模塊數(shù)據(jù)端分別與存儲模塊、觸摸顯示屏相連。

所述控制模塊由驅(qū)動水泵模塊、驅(qū)動調(diào)節(jié)閥模塊、控制變頻器模塊、報警判斷模塊組成。

所述觸摸顯示屏，包括圖形化人機交互界面，人機交互界面上設(shè)置有供水溫度設(shè)定觸摸鍵、調(diào)節(jié)閥的PID參數(shù)設(shè)定觸摸鍵、水泵的PID參數(shù)設(shè)定觸摸鍵及回水壓力觸摸鍵、供回水壓差觸摸鍵、失壓保護值觸摸鍵。

所述遠程監(jiān)控接口由RS485數(shù)據(jù)通訊接口、模擬量輸出接口、綜合報警數(shù)字量輸出接口組成。

換熱站是指連接于一次網(wǎng)與二次網(wǎng)之間，并裝有與用戶連接的相關(guān)設(shè)備、儀表、控制設(shè)備的機房。它用于調(diào)整和保持熱媒參數(shù)（壓力、溫度和流量），使供熱、用熱達到安全經(jīng)濟運行，是熱量交換、熱量分配的調(diào)節(jié)樞紐。

換熱站一般由換熱系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、補水系統(tǒng)構(gòu)成。換熱系統(tǒng)主要包括板式熱交換器和一次側(cè)電動調(diào)節(jié)閥，進行一次側(cè)和二次側(cè)熱量交換并控制熱交換量，以維持二次側(cè)供水溫度；循環(huán)系統(tǒng)主要包括2臺循環(huán)水泵和泄壓閥，保證給用戶恒定的供水壓力；補水系統(tǒng)主要包括2臺補水泵、水箱、補水電磁閥，向二次側(cè)補水，使管路中充滿水且回水壓力穩(wěn)定在一個恒定值。

在控制過程中，需要采集大量的物理量，如壓力、溫度、流量、液位等模擬量參數(shù)，并通過控制模塊對這些參數(shù)進行實時采集和處理。換熱站的自動控制，即是實現(xiàn)整個小區(qū)換熱供暖系統(tǒng)的實時監(jiān)控和全自動控制。

換熱站自動控制系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集、自動控制、參數(shù)存貯、實時通訊、故障報警等功能。主要有傳感器及執(zhí)行器組、信息采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、控制模塊、變頻器、觸摸顯示屏等幾個功能塊組成。

各功能模塊之間的組成關(guān)系如圖2所示，信息采集模塊通過各種傳感器件將換熱機組的各項參數(shù)采集轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可識別的數(shù)字信號傳入分析處理模塊；分析處理模塊通過對采集數(shù)據(jù)進行有效性判斷、濾波處理、量值變換、PID計算等處理轉(zhuǎn)換后，將狀態(tài)信號（壓力、溫度等）進行數(shù)據(jù)存儲并送入觸摸顯示屏參數(shù)顯示；控制模塊通過對存儲的數(shù)據(jù)結(jié)合換熱機組不同運行工況進行分析判斷，發(fā)出指令分別到相應(yīng)的水泵、調(diào)節(jié)閥、變頻器等設(shè)備，對出現(xiàn)的異常參數(shù)進行報警判斷并將報警狀態(tài)信息傳遞給觸摸顯示屏參數(shù)顯示；觸摸顯示屏可進行圖形化人機交互，值班人員可以通過觸摸進行供水溫度設(shè)定、調(diào)節(jié)閥的PID參數(shù)設(shè)定、水泵的PID參數(shù)設(shè)定及回水壓力、供回水壓差、失壓保護值等的設(shè)定，具有工藝流程總圖、調(diào)節(jié)回路、設(shè)定值顯示、報警記錄，并具有歷史數(shù)據(jù)的歷時趨勢和存儲檢索功能；遠程監(jiān)控接口，提供RS485數(shù)據(jù)通訊接口、模擬量輸出接口、綜合報警數(shù)字量輸出接口等多種接口方便遠程監(jiān)控。

換熱站系統(tǒng)對溫度的調(diào)節(jié)控制就是要保證二次側(cè)有一個恒定的供水溫度，在換熱器一次側(cè)安裝的電動調(diào)節(jié)閥的主要功能是通過調(diào)整閥門開度，調(diào)整一次管網(wǎng)熱水流量，控制換熱器的二次供熱量，保證供熱質(zhì)量。一次側(cè)電動調(diào)節(jié)閥的控制原理如圖3所示，控制器根據(jù)觸摸顯示屏設(shè)置的溫度與實際的二次網(wǎng)供水溫度進行比較，并進行PID運算，將運算結(jié)果輸出到調(diào)節(jié)閥（4-20mA信號對應(yīng)調(diào)節(jié)型電動閥0～100%的開度），通過調(diào)整一次側(cè)電動調(diào)節(jié)閥的開度來實現(xiàn)溫度的穩(wěn)定。

⑴手動控制

手動控制方式為現(xiàn)場人員手動選擇控制模式（手動）、在觸摸屏上輸入調(diào)節(jié)閥的開度設(shè)定值，從而改變控制模塊4-20mA的輸出值，當處于電動閥的開度設(shè)定值增大時，控制模塊持續(xù)緩慢地增大mA的值，直至輸出設(shè)定值對應(yīng)的mA值后，調(diào)節(jié)型電動閥開大至設(shè)定的開度；當處于調(diào)節(jié)型電動閥的開度設(shè)定值減小時，控制模塊持續(xù)緩慢地減小mA的值，直至輸出設(shè)定值對應(yīng)的mA值后，調(diào)節(jié)型電動閥關(guān)閉至設(shè)定的開度。（當系統(tǒng)失電時，電動調(diào)節(jié)閥關(guān)閉）

⑵自動控制

自動控制方式為現(xiàn)場人員手動選擇控制模式（自動），運用PID跟蹤控制功能自動對一次側(cè)高溫水管網(wǎng)出口電動調(diào)節(jié)閥進行控制，實現(xiàn)換熱器二次側(cè)熱水出口溫度的自動控制，滿足用戶室溫要求。

PID算法：PID跟蹤控制功能為比例、積分、微分控制；在連續(xù)控制系統(tǒng)中，模擬PID的控制規(guī)律形式為（3-1）

式（3-1）中，是偏差輸入函數(shù)；是調(diào)節(jié)器輸出函數(shù)；是比例系數(shù)；是積分時間常數(shù)；是微分時間常數(shù)。式（3-1）為模擬量表達式，經(jīng)離散后的差分方程為

（3-2）

式中，T是采樣周期；k是采樣序號，k=0，1,2…i；u<k>是采樣時刻k時的輸出值；e（k）是采樣時刻k時的偏差值；e（k-1）是采樣時刻k-1時的偏差值。將式（3-2）簡化為遞推關(guān)系式形式：

（3-3）

式（3-3）中，S_p是調(diào)節(jié)器設(shè)定值；是采樣時刻k時的反饋值；是采樣時刻k-1時的反饋值；是采樣時刻k-2時的反饋值；式（3-3）可以用作編程算法使用。

根據(jù)換熱站系統(tǒng)對溫度的調(diào)節(jié)控制要求，對PID參數(shù)進行設(shè)置，首先設(shè)置比例系數(shù)K_p和積分T_i、微分時間T_D（觸摸顯示屏中開放窗口，操作人員可觸摸修改），預(yù)先定義“供水溫度1設(shè)定、供水溫度2設(shè)定、供水溫度3設(shè)定、供水溫度4設(shè)定（根據(jù)不同環(huán)境和季節(jié)下的室外溫度設(shè)定了4個期望值，觸摸顯示屏中開放窗口，操作人員可觸摸修改）”為期望設(shè)定值S_p，通過設(shè)定值S_p和實際測量值f（k）（即二次網(wǎng)供水溫度）比較來計算控制偏差e（k），將控制偏差轉(zhuǎn)換為受控變量u< k >輸出到調(diào)節(jié)閥控制閥門開度，進而來改變實際測量值f（k）（即二次網(wǎng)供水溫度），以便盡可能快速平穩(wěn)地將實際測量值f（k）調(diào)整到設(shè)定值，保證二次側(cè)有一個恒定的供水溫度。

2.循環(huán)系統(tǒng)的自動控制

循環(huán)系統(tǒng)主要由循環(huán)水泵、變頻器、泄壓閥等組成，它的主要作用是負責二次網(wǎng)系統(tǒng)的供回水加壓，以滿足熱水供至管路終端用戶。循環(huán)系統(tǒng)的自動控制是通過壓力信號控制變頻器輸出，從而控制循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速，來實現(xiàn)對二次網(wǎng)供水壓力的控制，以維持壓差設(shè)定值。當一臺循環(huán)泵無法通過變頻加壓達到所要求的壓力時，控制器可使另一臺備用泵投入使用進行加壓，最終實現(xiàn)更加智能化的恒壓控制。泄壓閥可進行手動和自動控制，當二次側(cè)的回水壓力超過設(shè)定值（觸摸顯示屏中開放窗口，操作人員可觸摸修改）時，自動打開泄壓閥；也可根據(jù)需要手動打開泄壓閥，避免二次側(cè)壓力過大，達到對管路的有效保護。各功能模塊之間的組成關(guān)系如圖4所示。

⑴循環(huán)泵的變頻控制

循環(huán)泵的變頻控制采用PID調(diào)節(jié)控制，是運用PID跟蹤控制功能自動對循環(huán)泵電動機的頻率進行控制，實現(xiàn)換熱器二次側(cè)熱水管網(wǎng)供回水壓差的恒定控制，滿足用戶室溫要求并達到了節(jié)能、降耗、綠色環(huán)保的效果。

PID算法同（式3-3），對PID參數(shù)進行設(shè)置，首先設(shè)置比例系數(shù)K_p和積分T_i、微分時間T_D（觸摸顯示屏中開放窗口可修改），預(yù)先定義“二次網(wǎng)供回水壓差設(shè)定（觸摸顯示屏中開放窗口可修改）”為期望設(shè)定值Sp，安裝在二次管網(wǎng)供水側(cè)的壓力傳感器和回水側(cè)的壓力傳感器將水壓信號變成電信號（4-20mA）送給處理模塊計算出壓差值（實際檢測值），PID控制器根據(jù)壓差設(shè)定值與實際檢測值進行PID計算并輸出信號到控制模塊，控制模塊向變頻器發(fā)出電信號指令（4-20mA），從而變頻器控制循環(huán)泵電動機的頻率。當實際檢測值二次壓差與預(yù)設(shè)值差值增大時，變頻器輸出頻率上升，循環(huán)泵工作在高頻率狀態(tài)，二次網(wǎng)回水壓力上升；當實際檢測值二次網(wǎng)壓差與預(yù)設(shè)值差值減小時，變頻器輸出頻率下降，循環(huán)泵工作在低頻率狀態(tài)，二次網(wǎng)回水壓力下升。周而復(fù)始，完成對循環(huán)泵的PID跟蹤自動控制，使循環(huán)泵工作在一個比較穩(wěn)定的頻率狀態(tài)，實現(xiàn)換熱器二次側(cè)熱水管網(wǎng)供回水壓差的恒定控制。

換熱站系統(tǒng)的控制是一個多層次的復(fù)雜控制系統(tǒng)，它不僅利用PID跟蹤控制技術(shù)結(jié)合電動調(diào)節(jié)閥和變頻器來控制水的溫度和壓力，還采用控制模塊對采集的信息進行處理、分析、邏輯判斷并在循環(huán)泵故障或工作周期超長等情況時發(fā)出1#循環(huán)泵、2#循環(huán)泵互相切換的控制指令，控制邏輯如圖5所示。

① 循環(huán)泵的變頻、工頻工作狀態(tài)切換：

循環(huán)泵優(yōu)先工作在變頻工作狀態(tài)，當控制模塊接收到變頻器的故障信號時，發(fā)出指令控制循環(huán)泵切換到工頻工作狀態(tài)，控制變頻器停止工作并發(fā)出報警指示。

②1#循環(huán)泵與2#循環(huán)泵的備用切換控制：

無論循環(huán)泵工作在變頻還是工頻狀態(tài)，當1#循環(huán)泵工作中出現(xiàn)故障時，控制模塊根據(jù)接收到的信息處理、判斷發(fā)出指令控制2#循環(huán)泵工作，并使1#循環(huán)泵停止工作、進行報警指示。反之亦然。

在換熱站運行期間，為確保循環(huán)泵設(shè)備保養(yǎng)工作進行，使設(shè)備處于良好狀態(tài)，控制模塊對1#泵的工作時間計時，等達到設(shè)定的工作時間后發(fā)出切換指令控制2#泵工作、1#泵停止工作進入保養(yǎng)狀態(tài)。這種控制方式提高了人性化、智能化程度，有利于設(shè)備保養(yǎng)，延長泵的使用壽命。

⑶泄壓閥的控制

可進行手動和自動控制，控制柜面板上的操作按鈕置于手動位開始泄壓，在操作人員或值班人員發(fā)現(xiàn)二次側(cè)管網(wǎng)壓力過高（超過安全值）時可以手動泄壓；置于自動位，二次側(cè)回水壓力高于觸摸顯示屏設(shè)定的超壓保護泄水壓力，打開泄壓閥，低于保護壓力，關(guān)閉泄壓閥。這樣可以通過手動和自動兩種方式有力的保護總管路和用戶管路，免于高壓對管路沖擊造成破壞，帶來不必要的安全和財產(chǎn)損失。通過對泄壓閥的控制，維持二次網(wǎng)水壓穩(wěn)定在安全范圍內(nèi)?？刂圃硪妶D4循環(huán)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)圖。

3.補水調(diào)節(jié)控制回路

補水調(diào)節(jié)控制回路主要由補水泵、變頻器、補水閥、水箱等組成，它的主要作用是使運行初期二次管網(wǎng)充滿水以及運行期間供熱系統(tǒng)正常的水泄漏量的補充、事故工況下的補水，以維持二次管網(wǎng)的正常供水壓力，是供熱系統(tǒng)運行循環(huán)的必要保證。補水調(diào)節(jié)回路的自動控制是通過二次管網(wǎng)回水壓力傳感器和變頻器來控制補水泵的開啟、調(diào)節(jié)和停止，實現(xiàn)二次回水壓力的定壓自動控制；補水閥和水箱組成的供水裝置給補水提供了有力保證。補水調(diào)節(jié)控制回路的工作原理如圖6所示。

⑴補水泵變頻調(diào)速定壓控制

補水泵變頻調(diào)速定壓控制是根據(jù)供暖系統(tǒng)的補水壓力變化，改變補水泵電源頻率，平滑無極地調(diào)整補水泵轉(zhuǎn)速，進而及時調(diào)節(jié)補水量，實現(xiàn)系統(tǒng)回水壓力的恒定。補水泵的變頻控制也采用PID調(diào)節(jié)控制，PID算法同（式3-3），對PID參數(shù)預(yù)先進行設(shè)置。

見圖6補水調(diào)節(jié)控制回路系統(tǒng)圖。由圖可知，壓力變送器將測出的二次網(wǎng)回水壓力信號反饋到處理模塊內(nèi)，與壓力給定值信號（二次網(wǎng)回水壓力設(shè)定）相比較，經(jīng)過PID計算輸出一個信號輸入到變頻器內(nèi)，變頻器再根據(jù)輸入信號值的大小，自動輸出給補水泵電動機相應(yīng)的頻率值(0-50Hz)，控制調(diào)節(jié)補水泵的轉(zhuǎn)速，使補水泵流量隨之變化。當補水泵出口壓力（即二次網(wǎng)回水壓力）低于給定壓力值時，供電頻率增加，補水泵轉(zhuǎn)速提高，流量增大；反之，流量則減少。如果超過給定壓力值則會自動停機。因此，通過控制補水泵轉(zhuǎn)速，改變補水泵流量，進而保證供暖系統(tǒng)壓力恒定。

⑵補水泵備用切換的自動控制

補水系統(tǒng)有兩臺補水泵，互為備用，控制轉(zhuǎn)換原理同循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)泵。仍采用控制模塊對采集的信息進行處理、分析、邏輯判斷并在補水泵故障或工作周期超長等情況時發(fā)出1#補水泵、2#補水泵互為切換的控制指令，控制邏輯如圖7所示。

①補水泵的變頻、工頻工作狀態(tài)切換：

補水泵優(yōu)先工作在變頻工作狀態(tài)，當控制模塊接收到變頻器的故障信號時，發(fā)出指令控制補水泵切換到工頻工作狀態(tài)，控制變頻器停止工作并發(fā)出報警指示。

②1#補水泵與2#補水泵的備用切換控制：

無論補水泵工作在變頻還是工頻狀態(tài)，當1#補水泵工作中出現(xiàn)故障時，控制模塊根據(jù)接收到的信息處理、判斷發(fā)出指令控制2#補水泵工作，并使1#補水泵停止工作、進行報警指示。反之亦然。

在換熱站運行期間，為確保補水泵設(shè)備保養(yǎng)工作進行，使設(shè)備處于良好狀態(tài)，控制模塊對1#泵的工作時間計時，等達到設(shè)定的工作時間后發(fā)出切換指令控制2#泵工作、1#泵停止工作進入保養(yǎng)狀態(tài)。

⑶補水水箱的控制

補水水箱控制：補水水箱底部側(cè)面安裝一臺液位傳感器，用于測量水箱水位。水箱進水管道上安裝一臺電磁閥，用于水箱補水。當水箱水位低于設(shè)定時開啟電磁閥，當水箱水位高于設(shè)定時關(guān)閉電磁閥。實現(xiàn)自動供水，保證二次側(cè)及時補水，當液位過低時，發(fā)出報警，提醒工作人員及時檢修，避免出現(xiàn)二次側(cè)缺水，對系統(tǒng)造成不必要的損壞，起到有效地保護作用。

4. 人機交互系統(tǒng)

人機交互系統(tǒng)主要由觸摸顯示屏組成，通過通訊拓撲結(jié)構(gòu)與上位機處理模塊通訊，完成數(shù)據(jù)交換，既可以監(jiān)視換熱機組的運行情況，也可以調(diào)整換熱機組的運行狀態(tài)。觸摸顯示屏的界面包括工藝流程總圖顯示、調(diào)節(jié)回路顯示、設(shè)定值顯示、報警記錄、歷史趨勢圖顯示，可以對歷史數(shù)據(jù)進行存儲與檢索。

工藝流程總圖顯示：畫面中顯示整個換熱機組工作全過程，實時顯示各工藝段的運行情況，包括該工藝流程圖、所有的設(shè)備狀態(tài)、所有的工藝參數(shù)以及各控制回路的詳細參數(shù)等。以便于操作者能及時準確的掌握換熱機組的具體運行情況，能夠?qū)ΜF(xiàn)場設(shè)備的故障進行實時診斷。

所有的安全調(diào)節(jié)回路顯示：包括所有調(diào)節(jié)回路，可修改設(shè)定值、控制方式、調(diào)節(jié)參數(shù)等。需要通過輸入密碼進入觸摸顯示屏的參數(shù)設(shè)置界面，便于操作者修改控制參數(shù)，操作方便靈活并具有保護功能。

設(shè)定值顯示、報警記錄：包括所有調(diào)節(jié)回路及控制回路等的設(shè)定值、控制方式、調(diào)節(jié)參數(shù)及報警值等；出現(xiàn)報警后操作人員可查閱報警歷史記錄，便于故障分析和排除。歷史數(shù)據(jù)的存儲與檢索：對重要的數(shù)據(jù)進行在線存儲?？梢酝ㄟ^歷史報表或者歷史趨勢曲線的方式來檢索歷史數(shù)據(jù)。