一种换热站自动控制系统的补水调节控制回路及方法与流程

本发明属于换热站控制系统技术领域，主要涉及一种换热站自动控制系统的补水调节控制回路及方法。

背景技术：

集中供热是国家大力推广的节能和环保措施，随着城市集中供热规模的不断扩大，科学的管理热力管网具有非常重大的经济和社会效益。换热站和热水管网是连接热源和热用户的重要环节，在整个供暖系统中具有举足轻重的作用。

目前的我国采暖系统比较落后，具体体现在供暖质量差，即室温冷热不均，系统效率低下，而且用户不能自行设定和调节室温等；缺乏控制手段，只有简单的调节手段，没有恒温装置，供热不足和过度时，没有有效的调节手段；缺乏计量手段，没有计量收费造成用户不主动节能，也造成管理人员缺少数据来运行管理。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的是提出一种换热站自动控制系统的补水调节控制回路及方法。

本发明为完成其发明任务采用如下技术方案：

一种换热站自动控制系统的补水调节控制回路，由固定在换热机组上的二次侧回水压力传感器、水箱液位传感器、分析处理模块、调节阀PID模块、控制模块、补水泵、补水阀、变频器、触摸屏组成，所述触摸屏通过分析处理模块、调节阀PID模块、控制模块与变频器相连，变频器的输出端分别与1#补水泵、2#补水泵相连，1#补水泵、2#补水泵的信号端分别通过信号线与控制模块相连；分析处理模块的回水压力采集端通过信号线与二次侧回水压力传感器相连，分析处理模块的液位端通过信号线与水箱液位传感器相连；分析处理模块的控制端通过控制模块与补水阀相连；所述触摸屏的人机交互界面上设置有二次侧回水压力设定触摸键、水箱缺水保护设定触摸键、补水泵PID比例增益设定触摸键、补水泵PID微分时间设定触摸键。

一种换热站自动控制系统的补水调节控制方法，补水调节回路的自动控制是通过二次管网回水压力传感器和变频器来控制补水泵的开启、调节和停止，实现二次回水压力的定压自动控制；其步骤如下：

⑴补水泵变频调速定压控制

补水泵变频调速定压控制是根据供暖系统的补水压力变化，改变补水泵电源频率，平滑无极地调整补水泵转速，进而及时调节补水量，实现系统回水压力的恒定。补水泵的变频控制也采用PID调节控制，PID算法同（式3-3），对PID参数预先进行设置。

压力变送器将测出的二次网回水压力信号反馈到处理模块内，与压力给定值信号的二次网回水压力设定相比较，经过PID计算输出一个信号输入到变频器内，变频器再根据输入信号值的大小，自动输出给补水泵电动机相应的频率值0-50Hz，控制调节补水泵的转速，使补水泵流量随之变化；

当补水泵出口压力即二次网回水压力低于给定压力值时，供电频率增加，补水泵转速提高，流量增大；反之，流量则减少；

如果超过给定压力值则会自动停机，因此，通过控制补水泵转速，改变补水泵流量，进而保证供暖系统压力恒定；

⑵补水泵备用切换的自动控制

补水系统有两台补水泵，互为备用，控制转换采用控制模块对采集的信息进行处理、分析、逻辑判断，并在补水泵故障或工作周期超长的情况时发出1#补水泵、2#补水泵互为切换的控制指令；

①补水泵的变频、工频工作状态切换：

补水泵优先工作在变频工作状态，当控制模块接收到变频器的故障信号时，发出指令控制补水泵切换到工频工作状态，控制变频器停止工作并发出报警指示；

②1#补水泵与2#补水泵的备用切换控制：

无论补水泵工作在变频还是工频状态，当1#补水泵工作中出现故障时，控制模块根据接收到的信息处理、判断发出指令控制2#补水泵工作，并使1#补水泵停止工作、进行报警指示，反之亦然；

在换热站运行期间，为确保补水泵设备保养工作进行，使设备处于良好状态，控制模块对1#泵的工作时间计时，等达到设定的工作时间后发出切换指令控制2#泵工作、1#泵停止工作进入保养状态；

⑶补水水箱的控制

补水水箱控制：补水水箱底部侧面安装一台液位传感器，用于测量水箱水位，水箱进水管道上安装一台电磁阀，用于水箱补水；

当水箱水位低于设定时开启电磁阀，当水箱水位高于设定时关闭电磁阀；实现自动供水，保证二次侧及时补水，当液位过低时，发出报警，提醒工作人员及时检修，避免出现二次侧缺水，对系统造成不必要的损坏，起到有效地保护作用。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

一种换热站自动控制系统的补水调节控制回路及方法，能够使运行初期二次管网充满水以及运行期间供热系统正常的水泄漏量的补充、事故工况下的补水，以维持二次管网的正常供水压力，是供热系统运行循环的必要保证。

由补水调节控制回路组成的换热站自动控制系统能够保证热网的热力平衡，供热系统可以安全可靠地运行，实现无人值守情况下的远程监控。其优越性如下：1、在流量范围内，利用变频器的连续调节和水泵的调节相结合，确保恒压供水；2.系统采取变频调速方式实现恒压、恒温供水，节能效果明显；3.采用PID调节方式，水压波动小，响应快；4. 实现了补水水箱故障、自来水停水、系统停电、循环泵异常、一次网停水等的故障保护。

附图说明

图1为换热站系统示意图；

图2为换热站自动控制系统示意图；

图3为一次侧电动调节阀的控制系统示意图；

图4为循环系统的控制系统示意图；

图5为补水调节控制回路系统图；

图6为补水泵备用切换控制逻辑图。

具体实施方式

结合附图和具体实施例对本发明加以说明：

如图1、2、3、4、5、6所示，一种换热站自动控制系统的补水调节控制回路，由固定在换热机组上的二次侧回水压力传感器、水箱液位传感器、分析处理模块、调节阀PID模块、控制模块、补水泵、补水阀、变频器、触摸屏组成，所述触摸屏通过分析处理模块、调节阀PID模块、控制模块与变频器相连，变频器的输出端分别与1#补水泵、2#补水泵相连，1#补水泵、2#补水泵的信号端分别通过信号线与控制模块相连；分析处理模块的回水压力采集端通过信号线与二次侧回水压力传感器相连，分析处理模块的液位端通过信号线与水箱液位传感器相连；分析处理模块的控制端通过控制模块与补水阀相连；所述触摸屏的人机交互界面上设置有二次侧回水压力设定触摸键、水箱缺水保护设定触摸键、补水泵PID比例增益设定触摸键、补水泵PID微分时间设定触摸键。

由补水调节控制回路组成的一种换热站自动控制系统，包括：对换热站的温度调节控制装置、对换热站的循环系统自动控制装置，对换热站的补水调节控制回路自动控制装置；对换热站的温度调节控制装置、循环系统自动控制装置、补水调节控制回路自动控制装置由信息采集模块、分析处理模块、控制模块、触摸显示屏组成，信息采集模块的温度信号采集端通过信号线与固定在换热机组上的一次侧和二次侧供回水的各温度传感器相连，通过信号线与室外环境的温度传感器相连，信息采集模块的压力信号采集端通过信号线与固定在换热机组上的一次侧和二次侧供回水的各压力传感器相连，信息采集模块的输出端通过分析处理模块与触摸显示屏相连，分析处理模块的控制端通过控制线与控制模块相连，控制模块的阀执行端分别通过电缆线与换热机组上的一次侧电动调节阀控制端、泄压阀控制端、补水阀控制端相连，控制模块的泵执行端分别通过电缆线与换热机组上的1号补水泵、2号补水泵、1号循环水泵、2号循环水泵相连；控制模块的变频执行端分别通过电缆线与补水泵变频器、循环水泵变频器相连；补水泵变频器输出端分别通过电缆线与1号补水泵、2号补水泵相连；循环水泵变频器输出端分别通过电缆线与1号循环水泵、2号循环水泵相连；分析处理模块传输端通过信号线与远程监控接口相连。

所述对换热站的温度调节控制装置，由换热器一次侧的电动调节阀、二次侧恒定的供水温度传感器、分析处理模块、调节阀PID模块、控制模块、触摸屏组成，所述触摸屏通过分析处理模块、调节阀PID模块、控制模块与换热器一次侧的电动调节阀相连；分析处理模块的温度采集端通过信号线与二次侧恒定的供水温度传感器连；所述触摸屏的人机交互界面上设置有供水温度1、2、3、4设定触摸键、调节阀的PID参数比例增益、积分时间、微分时间设定触摸键。

对换热站的循环系统自动控制装置，由固定在换热机组上的二次侧供水压力传感器、二次侧回水压力传感器、分析处理模块、调节阀PID模块、控制模块、循环水泵、变频器、泄压阀组成，所述触摸屏通过分析处理模块、调节阀PID模块、控制模块与变频器相连，变频器的输出端分别与1#循环水泵、2#循环水泵相连；分析处理模块的压力采集端分别通过信号线与二次侧供水压力传感器、二次侧回水压力传感器相连，分析处理模块的控制端通过控制模块与泄压阀相连；所述触摸屏的人机交互界面上设置有二次侧供回水压差设定触摸键、超压保护泄压设定触摸键、循环泵PID比例增益设定触摸键、循环泵PID微分时间设定触摸键。

对换热站的补水调节控制回路自动控制装置，由固定在换热机组上的二次侧回水压力传感器、水箱液位传感器、分析处理模块、调节阀PID模块、控制模块、补水泵、补水阀、变频器、触摸屏组成，所述触摸屏通过分析处理模块、调节阀PID模块、控制模块与变频器相连，变频器的输出端分别与1#补水泵、2#补水泵相连，1#补水泵、2#补水泵的信号端分别通过信号线与控制模块相连；分析处理模块的回水压力采集端通过信号线与二次侧回水压力传感器相连，分析处理模块的液位端通过信号线与水箱液位传感器相连；分析处理模块的控制端通过控制模块与补水阀相连；所述触摸屏的人机交互界面上设置有二次侧回水压力设定触摸键、水箱缺水保护设定触摸键、补水泵PID比例增益设定触摸键、补水泵PID微分时间设定触摸键。

所述分析处理模块包括：有效性判断处理模块、滤波处理处理模块、量值变换处理模块、PID计算处理模块，所述有效性判断处理模块通过滤波处理处理模块、量值变换处理模块与PID计算处理模块相连；PID计算处理模块数据端分别与存储模块、触摸显示屏相连。

所述控制模块由驱动水泵模块、驱动调节阀模块、控制变频器模块、报警判断模块组成。

所述触摸显示屏，包括图形化人机交互界面，人机交互界面上设置有供水温度设定触摸键、调节阀的PID参数设定触摸键、水泵的PID参数设定触摸键及回水压力触摸键、供回水压差触摸键、失压保护值触摸键。

所述远程监控接口由RS485数据通讯接口、模拟量输出接口、综合报警数字量输出接口组成。

换热站是指连接于一次网与二次网之间，并装有与用户连接的相关设备、仪表、控制设备的机房；它用于调整和保持热媒参数（压力、温度和流量），使供热、用热达到安全经济运行，是热量交换、热量分配的调节枢纽。

换热站一般由换热系统、循环系统、补水系统构成。换热系统主要包括板式热交换器和一次侧电动调节阀，进行一次侧和二次侧热量交换并控制热交换量，以维持二次侧供水温度；循环系统主要包括2台循环水泵和泄压阀，保证给用户恒定的供水压力；补水系统主要包括2台补水泵、水箱、补水电磁阀，向二次侧补水，使管路中充满水且回水压力稳定在一个恒定值。

在控制过程中，需要采集大量的物理量，如压力、温度、流量、液位等模拟量参数，并通过控制模块对这些参数进行实时采集和处理。换热站的自动控制，即是实现整个小区换热供暖系统的实时监控和全自动控制。

换热站自动控制系统完成数据采集、自动控制、参数存贮、实时通讯、故障报警等功能。主要有传感器及执行器组、信息采集模块、数据处理模块、控制模块、变频器、触摸显示屏等几个功能块组成。

各功能模块之间的组成关系如图2所示，信息采集模块通过各种传感器件将换热机组的各项参数采集转换成系统可识别的数字信号传入分析处理模块；分析处理模块通过对采集数据进行有效性判断、滤波处理、量值变换、PID计算等处理转换后，将状态信号（压力、温度等）进行数据存储并送入触摸显示屏参数显示；控制模块通过对存储的数据结合换热机组不同运行工况进行分析判断，发出指令分别到相应的水泵、调节阀、变频器等设备，对出现的异常参数进行报警判断并将报警状态信息传递给触摸显示屏参数显示；触摸显示屏可进行图形化人机交互，值班人员可以通过触摸进行供水温度设定、调节阀的PID参数设定、水泵的PID参数设定及回水压力、供回水压差、失压保护值等的设定，具有工艺流程总图、调节回路、设定值显示、报警记录，并具有历史数据的历时趋势和存储检索功能；远程监控接口，提供RS485数据通讯接口、模拟量输出接口、综合报警数字量输出接口等多种接口方便远程监控。

换热站系统对温度的调节控制就是要保证二次侧有一个恒定的供水温度，在换热器一次侧安装的电动调节阀的主要功能是通过调整阀门开度，调整一次管网热水流量，控制换热器的二次供热量，保证供热质量。一次侧电动调节阀的控制原理如图3所示，控制器根据触摸显示屏设置的温度与实际的二次网供水温度进行比较，并进行PID运算，将运算结果输出到调节阀（4-20mA信号对应调节型电动阀0~100%的开度），通过调整一次侧电动调节阀的开度来实现温度的稳定。

⑴手动控制

手动控制方式为现场人员手动选择控制模式（手动）、在触摸屏上输入调节阀的开度设定值，从而改变控制模块4-20mA的输出值，当处于电动阀的开度设定值增大时，控制模块持续缓慢地增大mA的值，直至输出设定值对应的mA值后，调节型电动阀开大至设定的开度；当处于调节型电动阀的开度设定值减小时，控制模块持续缓慢地减小mA的值，直至输出设定值对应的mA值后，调节型电动阀关闭至设定的开度。（当系统失电时，电动调节阀关闭）

⑵自动控制

自动控制方式为现场人员手动选择控制模式（自动），运用PID跟踪控制功能自动对一次侧高温水管网出口电动调节阀进行控制，实现换热器二次侧热水出口温度的自动控制，满足用户室温要求。

PID算法：PID跟踪控制功能为比例、积分、微分控制；在连续控制系统中，模拟PID的控制规律形式为（3-1）

式（3-1）中，是偏差输入函数；是调节器输出函数；是比例系数；是积分时间常数；是微分时间常数。式（3-1）为模拟量表达式，经离散后的差分方程为

（3-2）

式中，T是采样周期；k是采样序号，k=0，1,2…i；u<k>是采样时刻k时的输出值；e（k）是采样时刻k时的偏差值；e（k-1）是采样时刻k-1时的偏差值。将式（3-2）简化为递推关系式形式：

（3-3）

式（3-3）中，S_p是调节器设定值；是采样时刻k时的反馈值；是采样时刻k-1时的反馈值；是采样时刻k-2时的反馈值；式（3-3）可以用作编程算法使用。

根据换热站系统对温度的调节控制要求，对PID参数进行设置，首先设置比例系数K_p和积分T_i、微分时间T_D（触摸显示屏中开放窗口，操作人员可触摸修改），预先定义“供水温度1设定、供水温度2设定、供水温度3设定、供水温度4设定（根据不同环境和季节下的室外温度设定了4个期望值，触摸显示屏中开放窗口，操作人员可触摸修改）”为期望设定值S_p，通过设定值S_p和实际测量值f（k）（即二次网供水温度）比较来计算控制偏差e（k），将控制偏差转换为受控变量u< k >输出到调节阀控制阀门开度，进而来改变实际测量值f（k）（即二次网供水温度），以便尽可能快速平稳地将实际测量值f（k）调整到设定值，保证二次侧有一个恒定的供水温度。

2.循环系统的自动控制

循环系统主要由循环水泵、变频器、泄压阀等组成，它的主要作用是负责二次网系统的供回水加压，以满足热水供至管路终端用户。循环系统的自动控制是通过压力信号控制变频器输出，从而控制循环泵的转速，来实现对二次网供水压力的控制，以维持压差设定值。当一台循环泵无法通过变频加压达到所要求的压力时，控制器可使另一台备用泵投入使用进行加压，最终实现更加智能化的恒压控制。泄压阀可进行手动和自动控制，当二次侧的回水压力超过设定值（触摸显示屏中开放窗口，操作人员可触摸修改）时，自动打开泄压阀；也可根据需要手动打开泄压阀，避免二次侧压力过大，达到对管路的有效保护。各功能模块之间的组成关系如图4所示。

⑴循环泵的变频控制

循环泵的变频控制采用PID调节控制，是运用PID跟踪控制功能自动对循环泵电动机的频率进行控制，实现换热器二次侧热水管网供回水压差的恒定控制，满足用户室温要求并达到了节能、降耗、绿色环保的效果。

PID算法同（式3-3），对PID参数进行设置，首先设置比例系数K_p和积分T_i、微分时间T_D（触摸显示屏中开放窗口可修改），预先定义“二次网供回水压差设定（触摸显示屏中开放窗口可修改）”为期望设定值Sp，安装在二次管网供水侧的压力传感器和回水侧的压力传感器将水压信号变成电信号（4-20mA）送给处理模块计算出压差值（实际检测值），PID控制器根据压差设定值与实际检测值进行PID计算并输出信号到控制模块，控制模块向变频器发出电信号指令（4-20mA），从而变频器控制循环泵电动机的频率。当实际检测值二次压差与预设值差值增大时，变频器输出频率上升，循环泵工作在高频率状态，二次网回水压力上升；当实际检测值二次网压差与预设值差值减小时，变频器输出频率下降，循环泵工作在低频率状态，二次网回水压力下升。周而复始，完成对循环泵的PID跟踪自动控制，使循环泵工作在一个比较稳定的频率状态，实现换热器二次侧热水管网供回水压差的恒定控制。

换热站系统的控制是一个多层次的复杂控制系统，它不仅利用PID跟踪控制技术结合电动调节阀和变频器来控制水的温度和压力，还采用控制模块对采集的信息进行处理、分析、逻辑判断并在循环泵故障或工作周期超长等情况时发出1#循环泵、2#循环泵互相切换的控制指令。

① 循环泵的变频、工频工作状态切换：

循环泵优先工作在变频工作状态，当控制模块接收到变频器的故障信号时，发出指令控制循环泵切换到工频工作状态，控制变频器停止工作并发出报警指示。

②1#循环泵与2#循环泵的备用切换控制：

无论循环泵工作在变频还是工频状态，当1#循环泵工作中出现故障时，控制模块根据接收到的信息处理、判断发出指令控制2#循环泵工作，并使1#循环泵停止工作、进行报警指示。反之亦然。

在换热站运行期间，为确保循环泵设备保养工作进行，使设备处于良好状态，控制模块对1#泵的工作时间计时，等达到设定的工作时间后发出切换指令控制2#泵工作、1#泵停止工作进入保养状态。这种控制方式提高了人性化、智能化程度，有利于设备保养，延长泵的使用寿命。

⑶泄压阀的控制

可进行手动和自动控制，控制柜面板上的操作按钮置于手动位开始泄压，在操作人员或值班人员发现二次侧管网压力过高（超过安全值）时可以手动泄压；置于自动位，二次侧回水压力高于触摸显示屏设定的超压保护泄水压力，打开泄压阀，低于保护压力，关闭泄压阀。这样可以通过手动和自动两种方式有力的保护总管路和用户管路，免于高压对管路冲击造成破坏，带来不必要的安全和财产损失。通过对泄压阀的控制，维持二次网水压稳定在安全范围内。控制原理见图4循环系统的控制系统图。

3.补水调节控制回路

补水调节控制回路主要由补水泵、变频器、补水阀、水箱等组成，它的主要作用是使运行初期二次管网充满水以及运行期间供热系统正常的水泄漏量的补充、事故工况下的补水，以维持二次管网的正常供水压力，是供热系统运行循环的必要保证。补水调节回路的自动控制是通过二次管网回水压力传感器和变频器来控制补水泵的开启、调节和停止，实现二次回水压力的定压自动控制；补水阀和水箱组成的供水装置给补水提供了有力保证。补水调节控制回路的工作原理如图5所示。

⑴补水泵变频调速定压控制

补水泵变频调速定压控制是根据供暖系统的补水压力变化，改变补水泵电源频率，平滑无极地调整补水泵转速，进而及时调节补水量，实现系统回水压力的恒定。补水泵的变频控制也采用PID调节控制，PID算法同（式3-3），对PID参数预先进行设置。

见图5补水调节控制回路系统图。由图可知，压力变送器将测出的二次网回水压力信号反馈到处理模块内，与压力给定值信号（二次网回水压力设定）相比较，经过PID计算输出一个信号输入到变频器内，变频器再根据输入信号值的大小，自动输出给补水泵电动机相应的频率值(0-50Hz)，控制调节补水泵的转速，使补水泵流量随之变化。当补水泵出口压力（即二次网回水压力）低于给定压力值时，供电频率增加，补水泵转速提高，流量增大；反之，流量则减少。如果超过给定压力值则会自动停机。因此，通过控制补水泵转速，改变补水泵流量，进而保证供暖系统压力恒定。

⑵补水泵备用切换的自动控制

补水系统有两台补水泵，互为备用，控制转换原理同循环系统的循环泵。仍采用控制模块对采集的信息进行处理、分析、逻辑判断并在补水泵故障或工作周期超长等情况时发出1#补水泵、2#补水泵互为切换的控制指令，控制逻辑如图6所示。

①补水泵的变频、工频工作状态切换：

补水泵优先工作在变频工作状态，当控制模块接收到变频器的故障信号时，发出指令控制补水泵切换到工频工作状态，控制变频器停止工作并发出报警指示。

②1#补水泵与2#补水泵的备用切换控制：

无论补水泵工作在变频还是工频状态，当1#补水泵工作中出现故障时，控制模块根据接收到的信息处理、判断发出指令控制2#补水泵工作，并使1#补水泵停止工作、进行报警指示。反之亦然。

在换热站运行期间，为确保补水泵设备保养工作进行，使设备处于良好状态，控制模块对1#泵的工作时间计时，等达到设定的工作时间后发出切换指令控制2#泵工作、1#泵停止工作进入保养状态。

⑶补水水箱的控制

补水水箱控制：补水水箱底部侧面安装一台液位传感器，用于测量水箱水位。水箱进水管道上安装一台电磁阀，用于水箱补水。当水箱水位低于设定时开启电磁阀，当水箱水位高于设定时关闭电磁阀。实现自动供水，保证二次侧及时补水，当液位过低时，发出报警，提醒工作人员及时检修，避免出现二次侧缺水，对系统造成不必要的损坏，起到有效地保护作用。

4. 人机交互系统

人机交互系统主要由触摸显示屏组成，通过通讯拓扑结构与上位机处理模块通讯，完成数据交换，既可以监视换热机组的运行情况，也可以调整换热机组的运行状态。触摸显示屏的界面包括工艺流程总图显示、调节回路显示、设定值显示、报警记录、历史趋势图显示，可以对历史数据进行存储与检索。

工艺流程总图显示：画面中显示整个换热机组工作全过程，实时显示各工艺段的运行情况，包括该工艺流程图、所有的设备状态、所有的工艺参数以及各控制回路的详细参数等。以便于操作者能及时准确的掌握换热机组的具体运行情况，能够对现场设备的故障进行实时诊断。

所有的安全调节回路显示：包括所有调节回路，可修改设定值、控制方式、调节参数等。需要通过输入密码进入触摸显示屏的参数设置界面，便于操作者修改控制参数，操作方便灵活并具有保护功能。

设定值显示、报警记录：包括所有调节回路及控制回路等的设定值、控制方式、调节参数及报警值等；出现报警后操作人员可查阅报警历史记录，便于故障分析和排除。历史数据的存储与检索：对重要的数据进行在线存储。可以通过历史报表或者历史趋势曲线的方式来检索历史数据。