基于泓格I-7000 模块的换热系统自动控制改造

一、上地信息产业基地能源服务概述   　　上地信息产业基地是1991 年10月经国家科委﹑北京市人民政府批准建立第一个以电子信息产业为主，集科研﹑开发﹑生产﹑经营﹑培训和服务为一体的综合性高科技产业基地。负责上地信息产业基地区域集中供热系统运行管理的实创热电公司主要负责在基地进驻的企业及生活的居民提供能源服务，系统全部投运后可满足基地1.8Km2 范围内近200 万m2 各类建筑的生产﹑生活﹑供热﹑制冷用蒸气。采用0.6MPa 的饱和蒸气为基本热力工作介质：冬季做为各用户暖气系统的热源，通过换热器（多数为板式换热器）的工作使暖气系统的循环水达到控制的温度；夏季以0.6MPa 的饱和蒸气通过溴化锂制冷机（多数为蒸气型双效式）的工作循环满足用户的舒适性及冷气空调的要求。 1、热源 　　上地信息产业基地供热场锅炉房包括4 台35 吨/时﹑1.57MPa 饱和蒸气锅炉和3 台10 吨/时﹑1.25MPa 饱和蒸气单层布置组装式饱和蒸气锅炉，总安装容量170 吨/时。主辅锅炉房分别安装有鼓引风机﹑给水泵﹑除尘器以及水处理设备。 2、区域热力管网 　　在上地信息产业基地内环形布置了一套区域供热管网，全长5.2Km，由于两根蒸气管对供热（制冷）负荷变化的适应性还是对提高供气的可靠性方面都较为有利故蒸气采用双母管制。为节约能源确保蒸气凝结水的回收，在热力管网内同时布置了一根冷凝回水管，要求各蒸气用户采用闭式回水系统利用凝结水泵进行冷凝水的回打，并保证冷凝回水率不低于80%。 3、换热制冷站 　　蒸气进入换热制冷站点后经减压阀送入换热制冷设备，夏季由溴化锂吸收式制冷机组产生7～12℃冷水，用冷冻水泵通过管道供给空调机组或风机盘管及新风机组等末端装置，站点内配备凝水泵﹑补水泵﹑凝水水箱﹑补水水箱和软化水装置，在楼顶设置冷却塔；冬季由板式换热器制备55～70℃热水，用暖气循环水泵通过管道供给风机盘管及新风机组（部分系统末端采用散热器），换热站内配备软化水装置用以储备软化水供取暖系统循环水使用，在顶层设置膨胀水箱，出现各类原因造成系统出现水压不足（主要表现为膨胀水箱液位降低）需要启动补水泵自补水水箱（某些系统补水箱与凝水箱共享）进行补水，当凝水水箱水位达到一定值时，启动凝水泵向热网进行凝水回打。 　　如此，整个基地只需一套单一热力介质的生产输送系统配合各冷暖气站的二次系统便可满足企业及生活区居民的多方面需求，根据冷暖气负荷在冬夏两季的不同而分别运行一种炉型，锅炉的利用率较高，同时也便于相互备用以确保安全运行。而各冷暖气站的设备型号﹑运作流程则各异，设计选用设备的不恰当会造成运行管理的困难，而运行管理的困难则直接影响到设备的使用寿命﹑运作的安全稳定等，在发现各冷暖气站的不完善情况下，予以分析﹑解决，在运行管理中提高设备的使用效能，使设备长期安全可靠﹑高效能的运行成为基地能源服务人员的重要课题。事实上，以往的管理中大多依靠于操作人员的主观动作，不同操作人员的工作经验不同使得能源消耗比例大小﹑设备完好程度﹑能否及时发现隐患等都存在较大差异，操作人员长期运用同一技术，缺少新技术﹑新知识的训练，使得大多数的操作人员不重视业务技术的学习，因此实创热电公司1999 年，大力推行技术升级，主要在带动员工技术的提升，更重要的是通过新技术的运用筛选出一批跟上知识,朝气蓬勃的员工队伍，并首先从换热系统入手，经过方案初设的讨论及各专业部门的全面决定采用计算机采集与控制方式的监控系统。 二、系统原理 　　本系统为计算机化监控系统，又称DDC 系统，即直接控制系统，它对测量数据的处理以及控制算法都是以数字计算为基础，通过软件实现的。同大多数计算机化监控系统一样，主体部分由主控计算机﹑现场模块﹑传感器及执行器等部件组成。 1﹑主控计算机：是计算机监控系统的核心，它的主要特性如下：    1）主控计算机的工作过程完全由预先编制的软件决定，而常规仪表是由电子逻辑电路或其它机械硬件逻辑实现，控制管理功能是由软件还是由硬件实现是计算机控制与常规仪表控制的主要区别。    2）本系统运行以VB 编制的程序，将各种输入信号通过数据总线直接接到计算机输入端口，从而实现数据采集与控制管理保护功能，而不是像常规仪表控制器由各自独立的一对一的单回路控制或保护电路构成，如此主控计算机就有可能全面考虑控制对象的各种参数，对其进行统一的系统性的控制﹑保护及管理。    3）主控计算机可以通过图形化的界面与用户进行信息交流，如警报的信息框﹑运行时间的统计等，大大方便了用户管理设备。 2﹑现场模块 　　由I-7000 系列现场模块完成数据采集与控制信号向执行器的发送，再通过RS485通讯方式将信号传送至转换器，转换成能与计算机串口连接的RS232 通讯方式。 3﹑传感器 　　传感器感测出需要监测控制的各种物理量并将其变为电信号送至计算机，相当于主控计算机的眼睛。本系统将各类参数的状态以电压﹑开关信号等方式传送至现场模块，主要有压力传感器﹑温度传感器﹑液位传感器及电流传感器。 4﹑执行器 　　可由计算机直接控制的各种开关和阀门，计算机通过调整执行器来具体实现控制功能，相当于主控计算机的手和脚。控制器通过现场模块的两类输出通道与执行器连接：    1）开关量输出通道（DO）。它可以由控制软件将输出通道设置成高电频或低电频，通过驱动电路即可带动继电器或其它开关组件，也可以驱动指示灯显示状态；    2）仿真量输出信道（AO）。输出的信号是0～10V 的电压，其值的大小是由控制软件决定的，由于计算机内部处理的信号都是开关量信号，因此这种可连续变化的仿真量信号是通过数字－仿真转换电路（D/A）产生的。 　　阀门电动执行器是由电机通过机械减速系统与阀门相连，来控制电机的正转﹑反转或停转，可以使阀门开大﹑关小或不动，下页图为电动执行器的电路原理图。 　　本系统选用兰吉尔公司的电动执行阀门，接收现场模块发送的0～10V 信号调整阀门开度。 图1 电动执行器的电路原理图 5﹑供电电源 　　共3 块，分别为电动执行阀门﹑压力传感器﹑电流传感器及现场模块供电。 6﹑通讯网（屏蔽线双绞线） 　　为减少对信号的干扰，整套系统均用屏蔽双绞线进行信号的传输。 三﹑硬件构成 1﹑硬件框架图如图2 所示。 图2 上地基地换热系统自动控制硬件构成 2﹑硬件主体：对各类传感器﹑现场模块及执行器等分述如下： 1）传感器 （1）压力传感器 　　4040PC 型压力传感器为霍尼韦尔开发的第一个采用单芯片的压力变送器，它的封装适合用于严酷环境，工作温度为－45～125℃，结构由不锈钢﹑玻璃﹑焊剂﹑硅和黄铜组成。采用全校整和温度补偿，提供线性放大的输出，基于阻特性的单芯片技术极大地提高了长期使用的可靠性。变送器由5VDC 供电，输出变化幅度4V，? 0.5～4.5VDC 线性正比于输压力. （2）液位传感器 　　霍尼韦尔LL 系列液位开关可提供非常准确的液位测量，1 个LED 和1 个光电接收器被放入塑料的半圆球内，根据光的内部反射原理，当无液体时，绝大多数LED 光都会被光电接收器接收到，当液体覆盖球表面时，圆球顶与液体界面的折射系数发生变化，光电接收器接收的LED 光将会减少，因此输出将会发生变化，开/关输出信号与现场模块数字量输入端相连从而为计算机定时读取。 供电电源：光电施密特管5V 输出电流：最大40mA，NPN 输出：空气中高电频﹑液体中低电频 （3）电流传感器 　　型号CSNE151 电流传感器是基于霍尔效应及零磁场平衡原理（反馈系统）来测量电流的。传感器内部磁场总是被控制在零点，用以平衡零磁场的电流是流过导体的初级电流乘以初次级线圈的比例系数。死循环电流就是传感器的输出，且反映初级电流被次级线圈减少的关系，电流输出可以通过外接电阻转换为电压输出。 供电电源：±15VDC 输出/输入电流比：25mA/25A （4）温度传感器 　　选用热电阻温度传感器，热电阻是随温度变化的测温组件，其电阻值随温度上升而增大，其受热部分（感温组件）用细金属丝均匀地双绕在绝缘材料制成的骨架上，工业上用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻两大类，本系统使用的是铂热电阻，分度号为Pt100，适用温度范围－200～850℃，两个接线端柱，允差±（0.3+0.005｜ t｜），普通热电阻基本结构除感温组件外，还有保护套管﹑安装固定装置﹑接线盒等。铠装铂热电阻的外壳采用坚固耐磨的不锈钢作铠套，内部充满高密度氧化物作为绝缘体，感温组件被紧固在铠套端部内。 2）现场模块 　　本系统选用ICP DAS 的I-7000 系列现场模块，全部为9600bps，功能及地址﹑信道分配如下： （1） I-7060 功能 　　通过液位传感器采集凝结水箱的液位信号，根据液位状况在高液位有水时起凝水泵，低液位无水时停凝水泵 地址 01 In3 采集高液位信号 In4 采集低液位信号 RL3NC 控制凝水泵停止 RL1NO 控制凝水泵起动 （2） I -7017 功能 通过压力传感器采集各种压力信号 地址 02 Vin0 供水压力 Vin1 补水泵出口压力 Vin2 循环泵出口压力 Vin3 凝水泵出口压力 Vin5 除污器后回水压力 Vin6 换热器入口蒸气压力 Vin7 入户蒸气压力 （3） I -7033 功能 通过温度传感器采集供回水温度 地址 03 Sense0 供水温度 Sense1 回水温度 （4） I-7060 功能 　　通过液位传感器采集膨胀水箱的液位信号，根据液位状况在低液位无水时起 补水泵，高液位有水时停补水泵 地址 04 In3 采集高液位信号 In4 采集低液位信号 RL3NC 控制1＃补水泵停止 RL1NO 控制1＃补水泵起动 RL4NC 控制2＃补水泵停止 RL2NO 控制2＃补水泵起动 （5） I-7024 功能 　　根据软件程序计算得出的值向电动执行阀门发送0～10V 的电压信号以控制 阀门开度 地址 05 Vout0 输出电压信号至电动执行阀门 （6） I-7017 功能 通过电流传感器采集循环泵的电流 地址 06 Vin3 1＃循环泵电流 Vin4 2＃循环泵电流 （7） I-7060 功能 控制循环泵的起停 地址 07 RL3NC 控制1＃循环泵停止 RL1NO 控制1＃循环泵起动 RL4NC 控制2＃循环泵停止 RL2NO 控制2＃循环泵起动 （8）I-7520 功能 实现RS485 与RS232 通讯方式的转换 四﹑软件的流程 1﹑软件功能综述    1）识别与记录：对于进入系统的人员进行密码识别，进入时间及姓名的记录    2）自动采集运行参数及状况?    （1）以数值显示下列参数    a.压力（MPa）：供水压力﹑补水泵出口压力﹑凝水泵出口压力﹑循环泵出口压力﹑回水除污器后压力﹑换热器入口蒸气压力﹑入户蒸气压力；    b.温度（℃）：供水温度﹑回水温度；    c.显示阀门开度（0～1）：全关至全开；    （2）以图片显示下列状?    a.水箱高低液位：低水位常态有水→绿色﹑异常无水→红色，高水位常态无水→绿色﹑异常有水→红色；    b.泵类起停显示：起时开关闭合显示红色，停时开关断开显示绿色；    3）自动或远程手动控制运行状况?    （1）自动    a.根据凝水箱液位自动控制凝水泵的启停：高液位有水起泵，低液位无水停泵；根据膨胀水箱液位自动控制补水泵的启停：低液位有水起泵，高液位无水停泵；对补水泵而言系统不是随机启泵，一般启动的是累计运行时间长的泵；    b.循环水泵远程手动启动或现场手动启动后进入自动控制状态，根据连续运行时间进行换泵；    c.根据一段时间内采集到的回水温度对电动执行阀门进行PID（比例积分微分调节）；    （2）远程手动    a.循环水泵必须通过点击图片的方式进行启停控制；    b.在特殊情况下（如不得回打凝水时），补水泵﹑凝水泵通过手动/自动转换按钮转换为手动后，通过点击图片进行泵类启停；    4）异常情况报警    （1）报警设置：除供回水温度因需要进行经常性的调节而不设限制外，系统其它主要参数由具备一定权限的人员进行高﹑低限的设置；    （2）警报功能：详见警报明细表    5）生成运行记录表及日曲线    6）统计与查询及打印与更新    （1）统计与查询    统计泵类连续及累计运行时间查询进入及退出系统的人员及时 间查询警报及警报后处理记录主要运行参数的历史记录    （2）打印与更新：打印查询得到的信息无需保留的信息进行更新 软件流程如图3 所示 图3 软件框图 五﹑实际运行效果 　　本系统自1999 年11 月中试运行，经过一段时间的测试（主要是软件程序的测试），至1999 年底运行状况良好，目前，换热站内不再设置运行人员，本系统投用具有以下效果及长远意义： 1﹑解决原设计缺项    1）原设计缺少膨胀水箱液位信号的传输而造成运行人员需要经常性爬上八层楼观察液位变化，发现系统亏水后还需要回到换热站内再启动补水泵；    2）原设计缺少凝水水箱液位信号的传输（甚至无玻璃管液位显示）而造成运行人员需要依靠个人经验或是爬上凝结水箱观察液位状况后进行启停凝水泵的操作。 2﹑节约能源确保稳定运行 　　以往冬季供暖运行一般就是运行人员将换热器入口的蒸汽阀门调整到一定的开度后系统运行，一个运行季只有两三次根据天气的变化而进行的调节，根据蒸气压力的变化的调节几乎不进行。其弊端在于：当蒸汽压力较高时，供回水温度均呈现上升趋势而不做调整，造成运行不稳定和能源的极度浪费。系统投运后，对应某一期待回水温度，系统电动执行阀门的开度随着蒸气压力的改变而不断变化，实现节约能源消耗的目的；当蒸汽压力较稳定时，阀门开度也就稳定了，回水温度保持在期待水平 ，从而使系统运行稳定。 3﹑指向性作用 　　由于基地建设周期较长，集中供热工程相对超前，设计是几年前完成的，工艺水准目前看来已经落后，再者设计人员长期脱离生产运行实际，所以在基地建设的中﹑前期设计的换热制冷站的自动化不多﹑技术程度较低，能耗浪费严重。这种情况不符合上地基地为高科技开发区的形象，更与进驻企业的要求存在差距，改变这种局面已成为企业生产中的关键问题，我们认识到：为确保安全生产和设备正常运行，为降低消耗﹑提高设备运行效率和经济效益而进行技改是一项长期性策略。而在节约能源﹑提高设备性能以及控制系统的数字化﹑智能化等方面加以改善和提高就必须采用新技术，这不仅是一个观念问题，它反映了管理部的技术能力和管理水平，为此更是管理问题﹑科学问题。运行实际表明：这项新技术在企业生产活动中优势明显，效益显著，达到了社会效益与经济效益双丰收的目的。我国能源工业要"坚持开发与节约并重的方针，把节约放在突出的位置"。技术改造与能源节约的重点是技术改进﹑设备改进和产品改进，从而达到技术先进﹑运行可靠﹑经济合理。试用期间将原来站点的逻辑控制系统与改进后的控制系统兼容，采用可以随时切换的方式运作，对于蒸气系统也通过旁通的方式保证一旦发现故障时转入手动，此外，电动执行阀门本身也具有转入手动的功能。通过试运行和短时间的培训，运行员工对系统的熟悉程度达到较高水平，达到独立操作的要求，并通过一个运行季的实际运行使运行和维护人员对其性能掌握更加深入，这样就为明年的联网自动采集与控制铺就一条通往成功之路，有利于热电公司的长期可持续发展 六﹑现场环境照片，如图4 所示。 图 4 7﹑结语 　　实创热力电力公司目前设备总资产已近八千万，本项目的投运及计算机控制的应用只是企业由基本建设为中心向生产经营管理转轨的一步，作为一名从事专业技术管理并过渡到参与宏观企业管理领域的人员，特别是此次技改的技术负责人和领导者，系统能够在实际生产运行中取得理想的效果，我感受到新技术在企业生产活动中推广应用的重要性，认识到在通过技术改造促进企业技术进步和经济效益的同步增长方面今后还有大量的工作有待完成。上地基地的能源管理还涉及到蒸气热源和电力供应等方面，在其它领域泓格（ICP DAS）产品同样具有良好的应用前景，此外探索其它技术的应用也是今后技改工作的重点，具体内容为一些大型电机的变频调速技术应用（如在灰渣泵﹑给水泵等处）；变电所内改造电量表工作，使其具有集中监测与控制功能；几个独立变电所（楼花厂房﹑一号标厂﹑二号标厂等处）低压配电环网供电改造工作；变电所负荷的分级管理技术的应用；基地内所属中央制冷空调系统﹑换热系统集中监测与控制的网络的架构等等⋯⋯可以说今后应用新技术的工作任重道远。相信新技术更为广泛的应用必将切实有效地促进企业的生产和经营工作。