基于plc的換熱站控制系統研究畢業論文(已修改)

　

【正文】 基于PLC的換熱站控制系統的研究畢業論文目 錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 課題背景 1 集中供熱系統綜述 1 集中供熱的優勢 1 國內外集中供熱現狀 2 國外集中供熱現狀 2 國內集中供熱現狀 3 供熱監控技術的發展 4 課題研究意義 6 需求與能耗關系 6 課題意義 6 課題研究的主要內容 7第2章 換熱站控制系統概述 9 換熱站工作過程 9 換熱站構成 9 換熱站運行原理 10 熱網與熱用戶連接方式 10 供熱調節方式 11 換熱站控制系統 12 換熱站控制系統組成 12 自控系統的控制方法 13 本章小結 17第3章 換熱站控制系統設計 18 控制系統的組成結構 18 換熱站溫度控制 18 溫度控制方式分類 19 溫度控制PID 22 供回水壓差控制 25 變頻調速 26 變頻調速的原理 27 循環泵變頻硬件設計 29 循環泵變頻軟件設計 30 二次回水定壓控制 33 補水定壓的作用 33 補水定壓方法 33 變頻調速恒壓供水 35 變頻調速恒壓供水節能分析 35 供水控制系統 36 壓力信號檢測 37 補水泵變頻調節硬件設計 37 補水泵變頻調節軟件設計 38 本章小結 40第4章 上位機監控設計 41 上位機系統介紹 41 上位機監控過程 41 應用組態軟件 41 上位機人機界面的設計 43 監視部分軟件設計 44 管理控制部分軟件設計 46 上位機與控制器間通訊設計 48 本章小結 49結 論 50參考文獻 51致謝 54附錄1 開題報告 55附錄2 文獻綜述 62附錄3 中期檢查 68附錄4 英文原文資料 74附錄5 英文文獻翻譯 82III第1章 緒論第1章 緒論 課題背景 集中供熱系統綜述 集中供熱(又稱區域供熱)是在當今社會，伴隨經濟的發展和科學技術的進步發展起來的。集中供熱是指以熱水或蒸汽作為熱媒，利用一個或多個熱源通過供熱管網、熱交換站等，向一個城市或城市中較大區域的各熱用戶提供熱能的方式。集中供熱是相對于分散小聯片鍋爐房供熱而言的。在我國北方廣大地區，冬季城市供熱是人們普遍關心的問題。隨著社會的發展，節能、降耗、環保意識的增強，特別是工業自動化技術水平的提高，供熱方式也在發生深刻的變化，正逐步由集中供熱方式取代以往的分散供熱方式。這不僅是完善城市基礎設施、促進城市現代化的客觀要求，更是國民經濟可持續發展、提高城市人民生活水平的重大舉措，具有明顯的經濟效益[1]。在集中供熱系統中，熱網與熱用戶的連接方式分為直接和間接連接兩種。在大型供熱系統中，供熱區域面積大，供熱調節滯后現象嚴重；采用熱網與熱用戶直接連接的方式往往難以實現對某一供熱區域的局部調節；供熱系統的控制難度增大，容易形成“近熱遠冷”的狀況及水力與熱力工況的失調：供熱品質及效果難以得到保證，不利于供熱系統的節能運行[2]。間接連接，在供熱管網與熱用戶間建立換熱站，將供熱管網輸送的熱媒加以調節、轉換，根據用戶的需要分配給各個熱用戶。這種方式有利于對供熱區域實現局部調節，滿足熱用戶的用熱需求，使得供熱系統經濟、節能、安全可靠運行成為可能。 集中供熱的優勢 集中供熱之所以得到了迅速發展，是與其自身特點分不開的，集中供熱與分散供熱比較，有很多優點。首先：減少大氣污染。用一個集中的熱源—熱電廠或集中供熱鍋爐房，代替眾多的分散的鍋爐；用一個高煙囪代替數百個低矮的小煙囪，變面源排放為點源排放，大大的減少了環境污染。其次：大大節約能源。利用熱電廠大容量、高效率的鍋爐，代替小容量、低效率的鍋爐，達到節約能源的目的。其三：提高供熱質量。分散供熱是間斷供熱，供一段，停一段，供熱不穩定；集中供熱是連續供熱，并根據負荷及時調整，無論室外如何變化，室溫始終保持一定。其四：低噪音，擾民少。分散供熱熱源點靠近居民區，產生的噪音直接影響周圍居民；集中供熱熱源點遠離居民區，可以有效防止噪音對居民的影響，減少擾民。其五：自動化程度高。集中供熱的供熱溫度調節采用自動控制，能夠實時地隨室外溫度的變化而自動調節供熱參數，以滿足用戶的需要，同時亦可以減輕工人操作上的勞動強度。其六：設備故障率低。由于集中供熱可選用供熱專用設備，其設備質量高于一般的工業設備，故運行安全可靠，故障率低[3]。所以，城市集中供熱是節能、環保的重要途徑，是城市現代化的主要基礎設施之一，也是經濟發展，改善人民群眾物質生活的重要標志之一。 國內外集中供熱現狀 國外集中供熱現狀 集中供熱在歐美國家已經有一百多年的歷史，美國從1877年、俄羅斯從1903年開始就有了集中供熱工程13J。歐洲特別是挪威、瑞典和丹麥的供熱技術非常具有特色，它們利用海水、湖水、地下水等作為熱源，通過熱泵裝置獲取熱水作為冬季供熱之用。在瑞典，容量最大的熱泵站位于斯德哥爾摩，利用海水作為熱源，供熱能力達到160MW。丹麥的集中供熱尤其著名，在從1985到2005年的20年中丹麥的集中供熱占整個熱力市場份額從30％增加到了60％[4]。從20世紀70年代能源危機以來，一些發達國家制定了有關供熱節能的政策、法規以及相配套的技術措施，特別針對供熱系統安設自動控制裝置，以使用戶能夠充分利用自由熱，對舒適度提出了明確的要求。國外發達國家的先進集中供熱系統均為動態的變流量系統，其調節與控制技術先進，調控手段完善，設備質量高，在換熱站的二次水系統中均安裝有變頻調速的水泵，差壓控制器、電動調節閥、氣溫補償器以及回水溫度限制器等設備，有了一整套成熟的供熱系統運行模式。國外供熱系統大多在用戶入口有溫控器維持溫度，有循環泵保證流量；在熱源處采用集中質調節或量調節，由于量調節的節能效果顯著，在國外得到普遍應用。這種集中和局部自控裝置的設置，自動調節用戶用熱量的變化，保證了室內熱舒適的要求，有效減少了熱能的浪費[5]。國外，比如美國、法國、日本、俄羅斯、芬蘭、德國、丹麥等國家，為適應經濟轉型的要求及節能的需要，近些年來也陸續加大了對現有集中供熱系統的改造，逐步建立起計量供熱的收費體系。在法國，能源節約局曾做過很多次試驗以確定節能效果。實驗結果顯示，在實施供熱計量收費的兩年中，節能率為15％～25％。由于這些研究都是針對各個國家的具體情況而做出的，沒有上升到系統的、適用性廣泛的理論高度，因此不能照搬用于我國城市民用建筑集中供熱的節能。 國內集中供熱現狀我國城市集中供熱與世界發達國家相比起步較晚，在上世紀五十年代建設了第一批區域性熱電廠。到二十一世紀初，我國城市集中供熱發展迅猛，2009年全國668個城市中已有近400個城市建設了集中供熱設施。集中供熱工程在我國的迅速發展取得了明顯的節約能源、改善環境的綜合效益，成為城市治理污染和提高能源綜合利用率的必要手段之一，是提高人民生活質量的公益性基礎設施，符合國家可持續發展戰略。建設部領導曾在全國供熱計量改革經驗交流現場會講話中強調，各地要加快改革步伐，盡快把供熱改革措施落到實處。由于我國目前集中供熱基礎設施較差，短時間內實現按需用熱和分戶計量難度較大，目前僅僅是在沈陽、長春等試點城市和北京、天津等大城市的試點小區中采用。從2003年建設部等8部委下發《關于城鎮供熱體制改革試點工作的指導意見》以來的8年間，無法實施按實際使用熱量收費，造成“節能建筑不節能，用戶節能不省錢”的局面。目前，供熱動態變流量自動調節控制設備及熱量計量儀表也只是處在研討和試用階段。與國外發達國家相比，我國目前的集中供熱系統還相當落后，主要體現在能源利用率不高和熱能損失。據預測，2020年約缺能8％， 2040年將缺能24％，所以提高能源利用率和減少熱能損失迫在眉睫[6]。造成我國供熱系統相對落后的主要原因是：(1)低效率、低品質、高能耗。國內供熱系統目前多處于低效率運行，采用的控制方式多為“大流量小溫差控制，“大馬拉小車現象嚴重，實際供熱面積只占供熱設備額定負荷的40%左右。熱量規劃不合理，管網運輸效率低、管道泄漏和偷水現象嚴重[7]。(2)缺乏有效的檢測和控制手段。我國現行的換熱站運行管理仍處于手工操作階段，大部分僅以二次網回水溫度值為標準，難以保證遠端用戶熱品質；操作人員難以及時準確的獲得遠程數據，無法對運行工況進行系統的分析判斷；系統運行工況失調難以消除，造成用戶冷熱不均，供熱量與需熱量不匹配，熱能大量浪費。(3)缺乏有效的節能措施。在我國，集中供熱方式日益普遍，雖然在當前基礎條件下難以實現按需用熱和分戶計量，但是可以在較少的投入下，應用先進的控制技術和自動調節裝置實現分時段、分區域供熱，有效的提高節能效率。 供熱監控技術的發展 供熱系統監控技術的發展隨著國家集中供熱的發展而發展，大致分為3個階段。(1)手動操作由于集中供熱剛剛開始，屬于初創時期，規模不大，管理比較簡單，主要是管理幾條供熱管線和為數很少的熱力站。根據現有資料表明，這一階段的監測僅僅是就地測量儀表提供參數，供熱管線上的參數是靠巡線人員步行或騎自行車到就地抄表和記錄，只是運行工作人員根據規定參數和工作經驗進行手動操作，機械勞動強度大，已逐步淘汰。(2)繼電器觸點控制系統隨著我國國民經濟和工農業生產的發展及人民生活水平的不斷提高，能源的消耗不斷增加，“熱”的需求愈來愈大，為彌補熱源廠提供的蒸汽不足，各地相繼建起了一些蒸汽廠、熱電聯產復合型電站、鍋爐房等各種各樣的熱源廠。集中供熱得到了長足的發展。由于集中供熱管網和供熱機組的加大，管理、控制與監測的矛盾顯現出來。用以保證安全、經濟、環保等方面的要求。多數熱網只是局部或區域實現了實時監控。雖然，這方面有所進步，但調度人員，給調度的及時性、準確性帶來很大的困難。這種控制方式與程控方式相比較，存在的主要不足是：功能差，自動化程度低，運行操作人員勞動強度大；控制設備器件多，接點多，接線復雜，任何一個故障點都會影響整個系統的正常運行，造成可靠性下降，維護、維修難度大；在施工和運行期間，由于工藝要求和設備的變化，控制邏輯經常要進行修改，繼電器邏輯電路也要進行修改，周期長，修改難度大。由于繼電器邏輯電路存在眾多缺點，所以大多數采用繼電器邏輯控制的熱電廠輔機系統，尤其是較為重要的控制系統，往往不能正常運行，或者運行一段時間以后不得不改為就地操作，給生產和運行帶來困難。(3)以計算機為基礎的專用工業計算機程序控制隨著市場經濟和競爭機制的引進，熱電廠開始采用大容量機組，使得供熱(暖)用戶成倍增加。以計算機為基礎的專用工業計算機程序控制技術基本上能滿足生產需要，也是當今乃至今后研究發展的方向。專業工業計算機的引入更能夠提高系統的參數動態優化，自動化管理和遠程通信功能，這代表著中，大型換熱站控制系統的發展方向。利用先進的工業自控技術、計算機技術、通訊技術構成的換熱站及遠程監控管理系統，對熱力系統實施更科學、更規范的監控管理，提高中央調度室的監控能力，具有非常巨大的經濟和社會效益。供熱系統的控制正朝著遠程控制、無人值守熱力站、實現自動化控制的方向前進[8]。總而言之，當前我國集中供熱網絡監測系統的好壞，對于一個供熱單位來說是有天壤之別的影響，也只有優質的監控與管理才能最終達到提高經濟效益的目的。 課題研究意義 需求與能耗關系 隨著經濟的發展，全國范圍內環保、節能的呼聲越來越高，利用先進的科學技術，合理分配熱量，讓現有的熱能充分發揮作用，為更多的用戶提供更好的供熱服務是供熱企業的首要任務。下面的坐標圖形象地說明了需求與能耗的關系，如圖11所示。圖中的斜線稱為服務曲線。很明顯，需求越大，提供的服務越多，能耗量也就越大。如果試圖保持原有的能耗量來滿足更多需求，唯一的辦法是減少服務曲線的斜率，即提高能源利用率。 圖11 需求與能耗間關系從圖中還可以看出，服務曲線的起點并不是原點，這一段能耗量稱作“固有能耗”。它主要包括：設備“大馬拉小車”；設備或管道的“跑冒滴漏”和冷熱損失。這一部分純屬無謂的耗能，需要盡量減少或消除。本系統設計的指導思想是：以提高能源效率為目標，降低各種能耗，同時對供熱系統有效控制調節，消除“大馬拉小車”的現象，提高系統可靠性，提高管理人員素質，降低固有能耗[9]。 課題意義同時，技術的發展也對整個供熱監控自動控制系統提出了新的要求：保證管道良好的通水工況、系統必須安全可靠、具有節能降耗功效、全自動負荷調節、系統參數實時準確、歷史數據記憶、故障安全保護和報警、系統狀態在線分析、現場工況模擬、人機界面友好等。針對以上問題和要求，本論文以集中供熱系統中換熱站的自動控制系統為主要研究對象，此系統采用S7200CPU226PLC 和ABB ACS140 變頻器調節循環泵或補水泵的輸出流量，達到了調節溫度和恒定壓力的目的，提高了控制精度，溫度控制精度小于3％，壓力控制精度在1％以內，更重要的是節約了能源，降低了供熱設施的運行費，節電達到35％以上；采用由AL809 智能PID 調節器組成的二次供水溫度調節控制回路，通過智能PID 算法，并結合戶外溫度使二次供水溫度達到設定的溫度，滿足用戶室內溫度要求，使換熱站做到既經濟運行又保證供熱質量，達到最佳工況；結合現場總線技術、系統冗余技術、將現場所有控制設備構建為分布式系統，運用以太網模塊無線傳輸數據可以實時快速地將換熱站現場數據發送到遠程監控中心，實現供熱運行的動態跟蹤監視。通過軟件編程和軟硬件組態技術實現換熱站的現代化監控與管理[10]。本課題的研究，是過程控制與現代先進科學技術的有機結合，使得現代新技術在傳統的換熱站控制中得到推廣和應用。通過實時監控，可及時調控網絡連接的換熱站運行情況并可節省成本。實時診斷供熱運行的隱患，使供熱安全、正常和節能地運行。隨著電氣控制技術飛速發展、網絡技術快速普及、高度自動化智能化的自動控制系統越來越引起人們的重視，對于我國走節約型經