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中图分类号：F299.23 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）06-0107-02
一、引言
我国北方地区的冬季漫长而寒冷，暖气、地热等供暖方式已经成为这里人民冬季室内御寒的主要手段。随着城市供热管网的改造工程逐步深化，小区锅炉供暖的形式已在逐渐推出舞台，由一个集中供热的热源厂负责几个片区的供热已经成为目前城市供热的发展趋势。目前由于各区域的距离远近，管网质量，换热设备等硬环境参差不齐，也存在着供热效率低、供热不平衡、能量浪费、热网波动严重等诸多问题。
根据用户的具体要求，对于一个供热自控系统，既要根据室外温度的变化调节二次侧供水温度，保证终端热用户的室内变化不超出某一范围（18±2℃，最低不低于16℃），这样既保证终端热用户有一个舒适的生活、工作环境，也可以最大限度地节约能源，同时也要实现在换热站的无人值守的情况下中控室可以远程调度每个热力站的参数，保证整个热网的热力平衡，供热系统可以安全可靠地运行。并初步实现热网热量的计量。
二、系统控制策略分析
目前我国北方地区大部分采用城市集中供热形式，一个热源厂负责几百万平米的供热面积是很普遍的事情。供热系统是一个大惯性系统，供热面积越大惯性越强；各热力站之间存在一次网的水力耦合问题，热力站越多、网络越复杂这种耦合也就越强烈，这都给热网的水平热力调节带来了极大的控制难度；目前我国由随着“分户供暖”工作的逐步实施部分热用户已经采取了分户按流量计费的供暖收费方式，这和传统的按面积收费对供热公司的供暖理念有着本质差别。按热量收费时，供热公司只要尽可能地满足各用户的用热需求，为了节省采暖费，热用户会自动限制自己的用热量；而按面积收费时，热用户不会自觉节省热量，供热公司要在保证热用户的基本供热效果的前提下尽可能减少供热量来达到节能增效的目的。考虑到上述社会现象，根据历年的气象统计，东北地区平均每个供暖季只有30天能够达到最低气温，而每个供暖季共有135天的时间，也就是说仅有22%的时间热网处于满负荷运行状态。在其余的时间里，例如初寒期和末寒期，室外温度偏高，系统并不需要如此多的热量。由此采用分阶段改变流量的调控方案以便节省能耗。即在初寒期和末寒期，改变热水流量。由于热网规模较大，大容量的泵的启停工作量很大，所以应慎重选择流量改变的负荷转折点，计算最不利点压差和相应的供回水温度，确保系统供热质量不受影响。
针对该系统我们对一次网采用流量分段控制方案。热用户室内温度是控制系统的目标参数，室内温度主要取决于换热器的效率和二次网的综合供热能力。在这两个因素不变的前提下，热用户室内平均温度取决于二次网的供回水平均温度和当时的室外温度。
根据控制策略分级执行的原则，该系统可以分成以下几部分：
1.热力站就地监控系统：以PLC控制器为核心，现场的温度、压力、热量、流量、液位、阀门开度、泵的启停状态等信号传输到控制器，由其进行A/D转换并作出判断和处理，实现现场的就地控制。
2.现场仪表和执行机构：包括温度、压力、热量、流量、液位等传感器和变频器、阀门执行器等执行机构。
3.通讯系统：以有线网为传输介质，实现热网热源调度中心与热力站就地监控系统的通讯；以双绞线为传输介质，实现中控室与公司办公管理系统的通讯。
4.热网热源调度中心：作为整个供热系统的运行调度枢纽，能够完成所有的数据处理和控制功能。
三、热网热源调度中心监控系统
在中央控制室能对整个热网控制系统进行在线实时数据采集、控制，并实现管网分析与故障诊断、报警、历史数据处理、趋势显示、报表打印等功能。中控室系统结构如图1所示
中央控制室由一台通讯处理机，一台工程师站和若干台工作员站组成，它们之间由快速以太网互连，并可通过此网络接入企业管理信息网。所有的控制命令均是通过组态好的客户定制系统中文人机界面操作。如启停某一设备、手动或自动执行顺序控制、PLC控制器控制方式的切换及对现场PLC控制器參数设定值的修改等。
上位机开发平台我们选用了组态王组态软件实现控制系统的通讯、管理、监控和显示。该系统提供了一个完整的对象数据库，将用户接口、控制功能块、以及整个系统和设备的控制信息综合在一起，以满足监控要求。考虑到与下位机通讯的稳定性、现场的实施方便及易操作性、经济合理性。我们采用分组交换的通讯方式，既能保证上位机与下位机之间通讯的稳定性，又能保证工程现场实现的易操作性。
系统运行、操作监督管理系统模块实现用户显示界面并完成与用户的交互并完成对前台显示的组态过程。在系统运行时与用户交互，显示下位机的运行状态，并接收用户输入，产生相应的控制信息，通知系统管理模块控制下位机运行。
信息生成及数据通迅模块负责实现上、下位机之间的数据通讯。
四、热力站就地监控系统控制原理
热源厂通过输汽（或水）管道将过热蒸汽（或高温水）输送到各换热站，在换热站中蒸汽（或高温水）经热交换器将采暖热水加热，循环泵通过供热管道将热水送到各热用户。因此，换热站作为热源厂与热用户之间的中间环节，其供热品质的好坏对改善热网热力工况，提高供热质量起着重要作用。就地控制系统能够根据室外环境温度及不同的供热时段采取具有一定前瞻性的供热策略，使每一个换热站按照设计迅速达到热平衡，不但可以极大地节约能源，而且可以对热网的水力平衡起到不可忽视的积极作用。
由于各用户的建筑面积、暖气片性能及房屋保温质量各不相同，很难确定一组典型的室内温度作为直接被控量，而供、回水的平均温度从整体上反映了各用户暖气片的平均温度，因此本系统采用控制供、回水平均温度的方法来间接控制用户室温。
五、热力站就地监控系统控制功能设计
热力站就地监控系统由具有测控功能的PLC控制器、电控柜、传感器、执行机构及通讯系统组成。控制器通过与相连的传感器和执行机构完成对换热器和其它现场设备的数据采集和控制功能；PLC控制器即可独立工作，也可直接与通讯网络连接，接受中央管理工作站的监督控制。热力站就地监控系统完成的主要控制功能如下： 1.室外温度曲线
将一天分为几个供热时段，每一时段设定一期望室内温度。然后计算机根据室大气温度的变化来自动调节供、回水温度的平均值，并根据典型用户室内温度的平均值自动修正供热系数，从而保证室内温度等于设定值。操作员也可以任意设定供水温度曲线或平移已有曲线。采用此方式可以足够精确的设定用户供水温度曲线，同时不需要进行曲率、斜率等复杂计算，从而降低工程和维护工作量。
2.温度控制回路
根据室外温度设定二次供水温度设定值，控制一次侧电动调节阀调节流量满足二次侧供水温度的要求。可以通过操作面板和监控系统修改或上下平移温度曲线；也可以通过时间程序移动温度曲线。提供室外温度传感器故障保护。
3.二次网循环泵控制
通过采集系统总出、回水温度的温差、各区用户系统回水温度温差与系統设计温差进行比较，通过变频器自动调节循环泵的转速，实现对系统总流量和温度的调节。使循环水泵按照实际负荷输出功率，减少不必要的电能损失，实现小流量大温差的运行模式。通过此举，可以及时地把流量、扬程调整到需要的数值上，消除多余的电能消耗，从而达到良好的节能效果。
设计两台变频泵不仅是为了系统备用，也是为了防止系统超调。如果负荷不够，则泵的转速加大，达到100%时还不满足要求，则启动第二台泵。如果泵反馈信号不等于输出信号或者任意泵报警，产生“维护报警”信号。如果所有泵均报警，产生“无可用泵”信号。根据运行时间自动切换各循环泵。同时也提供低水压保护和连锁功能。
4.补水泵控制
当二次侧回水压力低于设定值时，自动控制补水泵进行变频补水，如果压力还不满足要求，则启动第二台定速补水泵。根据供、回水压力的变化自动调节补水泵，以保持管网压力；对循环水泵的运行状态进行检测与显示；当供、回水温度及压力超限时，声、光报警。
5.现场人机界面
在现场人机界面上，可以通过操作面板任意调节系统所需的各种运行状态，例如：冷却、冷冻水供回水温度及温差，变频器最大最小运行频率等，并可随时查阅以往运行记录。根据用户要求可将当前参数以画面、曲线、报表的形式在屏幕上显示。
6.通讯系统设计
在上、下位机通讯的方式上，我们采用电信标准的ADSI方式。采用通用技术运行稳定可靠。
六、系统经济效益分析
通过对该城市热网自动控制系统的投运，热网过去主要依靠人工调节的控制手段得到彻底改善，一次网运行得到合理控制，失调现象得到有效地解决，消除热网中各站冷热不均的现象。按需供热、节能降耗，改变不合理的小温差大流量运行方式，即保证远端客户的供热需要又避免近端用户的过热现象，直接给企业带来经济效益的提高。随着供热事业的规模化发展，有效的自控手段将大大增强供热运行的管理能力，做到决策有据可依，管理有证可查，大大提高供暖公司生产管理、人员管理和设备维护的水平。
一、引言
我国北方地区的冬季漫长而寒冷，暖气、地热等供暖方式已经成为这里人民冬季室内御寒的主要手段。随着城市供热管网的改造工程逐步深化，小区锅炉供暖的形式已在逐渐推出舞台，由一个集中供热的热源厂负责几个片区的供热已经成为目前城市供热的发展趋势。目前由于各区域的距离远近，管网质量，换热设备等硬环境参差不齐，也存在着供热效率低、供热不平衡、能量浪费、热网波动严重等诸多问题。
根据用户的具体要求，对于一个供热自控系统，既要根据室外温度的变化调节二次侧供水温度，保证终端热用户的室内变化不超出某一范围（18±2℃，最低不低于16℃），这样既保证终端热用户有一个舒适的生活、工作环境，也可以最大限度地节约能源，同时也要实现在换热站的无人值守的情况下中控室可以远程调度每个热力站的参数，保证整个热网的热力平衡，供热系统可以安全可靠地运行。并初步实现热网热量的计量。
二、系统控制策略分析
目前我国北方地区大部分采用城市集中供热形式，一个热源厂负责几百万平米的供热面积是很普遍的事情。供热系统是一个大惯性系统，供热面积越大惯性越强；各热力站之间存在一次网的水力耦合问题，热力站越多、网络越复杂这种耦合也就越强烈，这都给热网的水平热力调节带来了极大的控制难度；目前我国由随着“分户供暖”工作的逐步实施部分热用户已经采取了分户按流量计费的供暖收费方式，这和传统的按面积收费对供热公司的供暖理念有着本质差别。按热量收费时，供热公司只要尽可能地满足各用户的用热需求，为了节省采暖费，热用户会自动限制自己的用热量；而按面积收费时，热用户不会自觉节省热量，供热公司要在保证热用户的基本供热效果的前提下尽可能减少供热量来达到节能增效的目的。考虑到上述社会现象，根据历年的气象统计，东北地区平均每个供暖季只有30天能够达到最低气温，而每个供暖季共有135天的时间，也就是说仅有22%的时间热网处于满负荷运行状态。在其余的时间里，例如初寒期和末寒期，室外温度偏高，系统并不需要如此多的热量。由此采用分阶段改变流量的调控方案以便节省能耗。即在初寒期和末寒期，改变热水流量。由于热网规模较大，大容量的泵的启停工作量很大，所以应慎重选择流量改变的负荷转折点，计算最不利点压差和相应的供回水温度，确保系统供热质量不受影响。
针对该系统我们对一次网采用流量分段控制方案。热用户室内温度是控制系统的目标参数，室内温度主要取决于换热器的效率和二次网的综合供热能力。在这两个因素不变的前提下，热用户室内平均温度取决于二次网的供回水平均温度和当时的室外温度。
根据控制策略分级执行的原则，该系统可以分成以下几部分：
1.热力站就地监控系统：以PLC控制器为核心，现场的温度、压力、热量、流量、液位、阀门开度、泵的启停状态等信号传输到控制器，由其进行A/D转换并作出判断和处理，实现现场的就地控制。
2.现场仪表和执行机构：包括温度、压力、热量、流量、液位等传感器和变频器、阀门执行器等执行机构。
3.通讯系统：以有线网为传输介质，实现热网热源调度中心与热力站就地监控系统的通讯；以双绞线为传输介质，实现中控室与公司办公管理系统的通讯。
4.热网热源调度中心：作为整个供热系统的运行调度枢纽，能够完成所有的数据处理和控制功能。
三、热网热源调度中心监控系统
在中央控制室能对整个热网控制系统进行在线实时数据采集、控制，并实现管网分析与故障诊断、报警、历史数据处理、趋势显示、报表打印等功能。中控室系统结构如图1所示
中央控制室由一台通讯处理机，一台工程师站和若干台工作员站组成，它们之间由快速以太网互连，并可通过此网络接入企业管理信息网。所有的控制命令均是通过组态好的客户定制系统中文人机界面操作。如启停某一设备、手动或自动执行顺序控制、PLC控制器控制方式的切换及对现场PLC控制器參数设定值的修改等。
上位机开发平台我们选用了组态王组态软件实现控制系统的通讯、管理、监控和显示。该系统提供了一个完整的对象数据库，将用户接口、控制功能块、以及整个系统和设备的控制信息综合在一起，以满足监控要求。考虑到与下位机通讯的稳定性、现场的实施方便及易操作性、经济合理性。我们采用分组交换的通讯方式，既能保证上位机与下位机之间通讯的稳定性，又能保证工程现场实现的易操作性。
系统运行、操作监督管理系统模块实现用户显示界面并完成与用户的交互并完成对前台显示的组态过程。在系统运行时与用户交互，显示下位机的运行状态，并接收用户输入，产生相应的控制信息，通知系统管理模块控制下位机运行。
信息生成及数据通迅模块负责实现上、下位机之间的数据通讯。
四、热力站就地监控系统控制原理
热源厂通过输汽（或水）管道将过热蒸汽（或高温水）输送到各换热站，在换热站中蒸汽（或高温水）经热交换器将采暖热水加热，循环泵通过供热管道将热水送到各热用户。因此，换热站作为热源厂与热用户之间的中间环节，其供热品质的好坏对改善热网热力工况，提高供热质量起着重要作用。就地控制系统能够根据室外环境温度及不同的供热时段采取具有一定前瞻性的供热策略，使每一个换热站按照设计迅速达到热平衡，不但可以极大地节约能源，而且可以对热网的水力平衡起到不可忽视的积极作用。
由于各用户的建筑面积、暖气片性能及房屋保温质量各不相同，很难确定一组典型的室内温度作为直接被控量，而供、回水的平均温度从整体上反映了各用户暖气片的平均温度，因此本系统采用控制供、回水平均温度的方法来间接控制用户室温。
五、热力站就地监控系统控制功能设计
热力站就地监控系统由具有测控功能的PLC控制器、电控柜、传感器、执行机构及通讯系统组成。控制器通过与相连的传感器和执行机构完成对换热器和其它现场设备的数据采集和控制功能；PLC控制器即可独立工作，也可直接与通讯网络连接，接受中央管理工作站的监督控制。热力站就地监控系统完成的主要控制功能如下： 1.室外温度曲线
将一天分为几个供热时段，每一时段设定一期望室内温度。然后计算机根据室大气温度的变化来自动调节供、回水温度的平均值，并根据典型用户室内温度的平均值自动修正供热系数，从而保证室内温度等于设定值。操作员也可以任意设定供水温度曲线或平移已有曲线。采用此方式可以足够精确的设定用户供水温度曲线，同时不需要进行曲率、斜率等复杂计算，从而降低工程和维护工作量。
2.温度控制回路
根据室外温度设定二次供水温度设定值，控制一次侧电动调节阀调节流量满足二次侧供水温度的要求。可以通过操作面板和监控系统修改或上下平移温度曲线；也可以通过时间程序移动温度曲线。提供室外温度传感器故障保护。
3.二次网循环泵控制
通过采集系统总出、回水温度的温差、各区用户系统回水温度温差与系統设计温差进行比较，通过变频器自动调节循环泵的转速，实现对系统总流量和温度的调节。使循环水泵按照实际负荷输出功率，减少不必要的电能损失，实现小流量大温差的运行模式。通过此举，可以及时地把流量、扬程调整到需要的数值上，消除多余的电能消耗，从而达到良好的节能效果。
设计两台变频泵不仅是为了系统备用，也是为了防止系统超调。如果负荷不够，则泵的转速加大，达到100%时还不满足要求，则启动第二台泵。如果泵反馈信号不等于输出信号或者任意泵报警，产生“维护报警”信号。如果所有泵均报警，产生“无可用泵”信号。根据运行时间自动切换各循环泵。同时也提供低水压保护和连锁功能。
4.补水泵控制
当二次侧回水压力低于设定值时，自动控制补水泵进行变频补水，如果压力还不满足要求，则启动第二台定速补水泵。根据供、回水压力的变化自动调节补水泵，以保持管网压力；对循环水泵的运行状态进行检测与显示；当供、回水温度及压力超限时，声、光报警。
5.现场人机界面
在现场人机界面上，可以通过操作面板任意调节系统所需的各种运行状态，例如：冷却、冷冻水供回水温度及温差，变频器最大最小运行频率等，并可随时查阅以往运行记录。根据用户要求可将当前参数以画面、曲线、报表的形式在屏幕上显示。
6.通讯系统设计
在上、下位机通讯的方式上，我们采用电信标准的ADSI方式。采用通用技术运行稳定可靠。
六、系统经济效益分析
通过对该城市热网自动控制系统的投运，热网过去主要依靠人工调节的控制手段得到彻底改善，一次网运行得到合理控制，失调现象得到有效地解决，消除热网中各站冷热不均的现象。按需供热、节能降耗，改变不合理的小温差大流量运行方式，即保证远端客户的供热需要又避免近端用户的过热现象，直接给企业带来经济效益的提高。随着供热事业的规模化发展，有效的自控手段将大大增强供热运行的管理能力，做到决策有据可依，管理有证可查，大大提高供暖公司生产管理、人员管理和设备维护的水平。