目录
引言··································1 第一章 绪论·····························2
1.1 换热站的发展概述························2
1.1.1 国外换热站发展概况····················2 1.1.2 国内换热站发展概况····················2 1.2 换热站的简介及运行现状·····················3 1.3 课题的来源及意义························3
第二章 换热站的构成和总体设计方案···············5
2.1换热站的简介···· ······················5 2.2换热站控制系统的构成· ·····················5 2.3 换热站控制系统的硬件······················6 2.3.1 换热器···························6 2.3.2 循环水泵··························7 2.3.3 阀门····························7 2.3.4 温度计、阀门························8 2.3.5 PLC S7-200·························8 2.4 换热站工作原理·························11 2.5 系统总体方案设计思路······················12 2.6 该方案要实现的控制功能·····················13
第三章 控制系统实施方案·····················15
3.1 换热站与热用户的连接方式····················15 3.2 温度的控制调节·························15 3.3 循环水流量的调节控制······················16 3.4 压力的调节控制·························17 3.5 换热站总体控制系统方案·····················18
3.5.1 换热站控制系统设计····················18 3.5.2 控制系统硬件总体框架图··················18 3.5.3 换热站控制系统电气图···················18
参考文献·······························20
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河北联合大学综合课程设计说明书 引言
引 言
温度控制系统在国内各行各业的应用虽然应用很广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体水平处于20世纪80年代中后期的水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适用于一般的温度系统的控制，难以控制滞后、复杂、时变温度系统控制。能适应于较高的控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内还不十分成熟。
随着国民经济的不断发展，人们对供暖质量的需求也在逐步提高。在传统供热模式下，为满足供热需求，换热站内设备运行参数多为人工调节，随着室外温度及热负荷的不断改变，不断的人工调节二次供水温度以保证用户室内能够维持恒定的温度。在这种情况下，人工手动调节必然存在着较大偏差，只能够根据经验达到粗调节，不能够 居民对室内温度恒定。为了改变这一情况，多年以来供热行业一直在探讨开发能充分适应热负荷不断变化的细调节运行方式，以适应热负荷变化较大、调节频率较高对系统平衡能力的需求，满足热用户的合理需求，达到经济运行目的。
随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求越来越高，因此，高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展的趋势。
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第一章 绪论
1.1 换热站的发展概述
热力公司换热站是在十九世纪末期，伴随经济的发展和科学技术的进步，在集中供暖技术的基础上发展起来的，它利用热水或蒸汽作为热媒，由集中的热源向一个城市或较大区域供应热能。集中供暖不仅为城市提供稳定、可靠的热源，改善人民生活，而且与传统的分散供热相比，能节约能源和减少污染，具有明显的经济效益和社会效益。
1.1.1 国外换热站发展概况
在美国纽约在1877年，建立了第一个区换热站向附近14家用户供热。20世纪初期，一些工业发达的国家，开始利用发电厂内汽轮机的排气，供给生产和生活用热，其后逐渐成为现代化的热电厂。在上世纪中，特别是二次世界大战以后，西方一些发达国家的城镇集中供暖事业得到迅速发展。
原苏联和东欧国家的集中供暖事业长期以来是实行以积极发展热电厂为主的发展政策。原苏联集中供暖规模，居世界首位。地处寒冷气候的北欧国家，如瑞典、丹麦、芬兰等国家，在第二次世界大战以后集中供暖事业发展迅速，城市集中供暖普及率都较高。据1982年资料，如瑞典首都斯德哥尔摩市，集中供暖普及率为35%；丹麦集中供暖系统遍及全国城镇，向全国1/3以上的居民供暖和热水供应。
第二次世界大战后德国在废墟中进行重建工作，为发展集中供暖提供了有力的条件。目前除柏林、汉堡、慕尼黑等城市已有规模较大的集中供暖系统外，在鲁尔地区和莱茵河下游，还建立了联结几个城市的城际供暖系统。
在一些工业发达较早的国家中，如美、英、法等国家，早期多以锅炉房供暖来发展集中供暖事业，锅炉房供暖占较大比例。不过这些国家已非常重视发展热电联产的集中供暖方式。
1.1.2 国内换热站发展概况
我国城市集中供暖真正起步是在50年代开始的，党的十一届三中全会以后，特别是国务院1986年下发《关于加强城市集中供热管理工作的报告》，对我国的集中供暖事业的发展起到了极大的推动作用。
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河北联合大学综合课程设计说明书 1 文献综述
虽然我国这些年来集中供暖事业取得了迅速发展，但是和国外相比，我国目前采暖系统相当落后，具体体现在供暖质量差，即室温冷热不均，系统效率低下，不仅多耗成倍能量，而且用户不能自行调节室温。在功能上，发达国家通常室内温度保持22摄氏度，我国仅为16摄氏度，而且我国的供暖质量很差，室温冷热不均，系统热效率低下，大多数地方没有采取按户计费，用户也不能自行设定和调节室温等等。我国城市集中供暖目前存在的能源浪费主要来源与：建筑的保暖隔热和气密性能差；采暖系统相当落后。造成结果是：低效率，我国供暖采暖系统普遍存在低负荷、低效率运行，实际供暖面积平均只有设备能力的40%左右。管网输送效率低，管道泄漏和偷水现象严重；缺乏控制手段：我国供暖系统只有简单的调节手段，水力水平失调、垂直失调严重：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：采暖系统一般不设热表，没有计量收费造成用户不会主动去节能，没有计量也造成了管理运行人员没有具体数量上的依据来运行管理。换热站的发展为改变了之前供热系统的众多缺陷。
1.2 换热站的简介及运行现状
换热站与锅炉房是根本不同的。锅炉房是用燃料把水（或其他介质）加热到具有一定参数的地方；而换热站是为了把锅炉房生产的高温热水（高于100C）转换成能够直接给用户供热的热水（低于100C）。锅炉房是生产地，其主要设备有：锅炉、鼓风机、引风机、循环泵、和各种辅助设备（上煤机，除渣机）等，其中锅炉是主体。而换热站是个中转站，现在换热站的主要换热方式有：换热板、混水等。说白了换热站就像一个大的过水热，唯一不同的是它很大.它们都属于供热系统的一部分，又各自具有不同的功能。其工艺流程是：锅炉房——（高温热水）——换热站——（低温热水）——用户——（低温热水）——换热站——（低温热水）——锅炉房
通常换热站内部设备可分为两个部分，即采暖系统和民用生活系统，目前我国换热站大部分没有民用热水设施。今后随着国民经济的发展，人民生活水平的提高在换热站内应该普及生活热水系统，来提高集中供暖的效益。换热站的主要设备有：离心水泵、汽-水换热器、热水储水箱、过滤器、补水泵调节阀热媒参数调节和检测仪表、防止用户热水供应装置生锈和结垢的设备等。换热站内还安装有热量表以及调节供热量的自动调节装置。但是目前来说大部分换热站还不能实现全自动化无人值守，大部分缺乏控制手段，耗能严重造成资源的许多不必要的浪费。
1.3 课题的来源及意义
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河北联合大学综合课程设计说明书 1 文献综述
随着国民经济的不断发展，人们对供暖质量的需求也在逐步提高。在传统供热模式下，为满足供热需求，换热站内设备运行参数多为人工调节，随着室外温度及热负荷的不断改变，不断的人工调节二次供水温度以保证用户室内能够维持恒定的温度。在这种情况下，人工手动调节必然存在着较大偏差，只能够根据经验达到粗调节，不能够 居民对室内温度恒定。为了改变这一情况，多年以来供热行业一直在探讨开发能充分适应热负荷不断变化的细调节运行方式，以适应热负荷变化较大、调节频率较高对系统平衡能力的需求，满足热用户的合理需求，达到经济运行目的。
目前，由微机监控换热站从技术上满足了这种需求，其原理是通过变送器远程采集系统运行数据，经有线或者无线方式将信号传递到控制中心进行中央监控，同时将控制信号以组态模式实时反馈，控制电控执行机构进行系统调节，实现对二次供、回水温度的合理控制和处理突发事故。无人值守换热站具有以下特点：运行人员少，人员培训时间段，界面人格化，且能只管的监控换热站的运行情况；可以科学的根据天气情况及负荷变化通过适时反馈自动进行蒸汽流量细调节，降低直接成本；既可以循环监控各换热站的运行参数，又能抽调某个换热站的运行状态，保证了系统监控实时性；可以设定系统临界参数，系统异常时在控制中心实现报警，在必要时能及时的将控制信号自动反馈到电动执行机构，处理突然事故，保证了系统的安全性。
从理论上，通过计算机技术、PLC、传感器数据通讯技术和测控技术，需做到换热站在整个运行期间无需人员巡视时可行的，但是相应的硬件设施投入相对过大。因此从企业经济效益角度出发，应以远程监控影像安全运行参数为主，辅以人员巡查，达到无人值守的目的。本课题来源于平安小区换热站的控制与技术，如何随时了解换热站的工作情况和有关信息，并根据这些信息和室外温度对换热站进行及时调控，使供暖系统始终在一个最佳工况下运行，从而获得良好的经济效益和社会效益，这就是本课题的研究目的所在。
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河北联合大学综合课程设计说明书 2 总体设计方案
第二章 换热站的构成和总体设计方案
2.1换热站的简介
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。
换热站是指连接于一次网与二次网并装有与用户连接的相关设备，仪表和控制设备的机房。它用于调整和保持热媒参数（压力，温度和流量），是供热，用热达到安全经济运行，是热量交换，热量分配一集系统监控，调节的枢纽。
换热站一般由汽水换热器组成的换热系统，循环水泵组成的循环系统，补水泵组成的补水系统来构成。在控制过程中，需要采集大量的物理量，如压力，温度，流量等模拟量参数。需要通过PLC对这些参数进行实时采集和处理。换热站的自动控制，即实现整个进气和供水过程的全自动控制。
2.2换热站控制系统的构成
换热站控制系统由以下3部分组成：
1）测量仪表及变送器。用于对换热站的运行参数及室内外温度进行测量，主要包括一二次供水温度、室内外温度、二次侧供水流量、一二次压力等测量传感器。
2）执行机构。对于换热站运行的个调节机构进行电动调节，主要由变频器和泵电机组成。
3）PLC和工控机。用对于换热站运行的自动控制和运行参数进行监测控制、记录、统计、报警、报表打印等。
换热站控制系统主要对二次侧供水温度进行自动控制，最终使室温达到要求。系统由PLC作为底层的 DDC控制器，先进的工业控制机作为上位机，并配备彩色显示器、打印机、网络通信卡等高品质的硬件设备，具有系统控制算法、组态等先进供暖的软件，可使系统实时地显示换热站运行情况，实时地反映出按需供热，以适应供暖符合的变化，同时使换热站运行达到最佳工况，并可在恶劣环境下长期、稳定、可靠的运行。
通常换热站内部设备可分为两大部分，即采暖系统和民用生活热水系统，目前我国换热站大部分没有民用热水设施。今后随着人民生活水平的提高在换热站内应增加生活热水系统来提高集中供暖的效益。换热站的主要设备有：水——水（汽——水）
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换热器，过滤器，补水箱，补水泵，循环水泵，调节阀，热媒参数调节和检测仪表，防止用户热水供应装置生锈和结垢的设备等。换热站内还安装有热量表及调节供热量的自动调节装置。
2.3 换热站控制系统的硬件：7
换热站由换热器、循环泵、补水泵、变频器、流量计、水泵、进气阀、减压阀、自动排气阀、止回阀、温度表、压力表等组成，下面就来逐一介绍它们在换热站中所起的作用。 2.3.1 换热器
换热器是换热站结构中一个最为重要的部分，它是连接一次管网和二次管网的中间环节，它的主要功能是将一次管网的蒸汽和循环水混合，加热循环水送至用户。
换热站种类很多，换热器按照传递原理可以分为一下几种形式：
1）直接接触式换热器：利用冷热流体直接接触，彼此混合进行换热的换热器。这类换热器具有传热效率高、单位体积的传热面积大、设备结构简单、价格便宜等优点，缺点是仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合。
2）蓄热式换热器：借助于由固体构成的蓄热体与热流体和冷流体交换接触，把热量从热流体传递给冷流体的换热器。这类换热器具有结构紧凑价格便宜、单位体积面积大的优点。适合于汽——汽热交换的场所。
3）间壁式换热器：利用间壁将进行热交换的冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。间壁式换热器是工业生产中应用最为广泛的换热器。
4）中间载热体式换热器：把两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接起来的换热器。工业中，最为常见的是管壳式换热器、板式换热器以及其他的各种紧凑高效的新型换热器。
该结构采用的调节方式是一次侧采用量调节方式，二次侧采用分阶段改变流量的质调节方式，并且采用变频调速技术调节补水泵对系统进行补水定压，本系统的控制部分采用PLC可编程控制器进行计算及控制各传感元件和执行器，实现对换热站的自动调节。
该改造方案主要是结合换热站的实际情况，通过对环境温度，二次供水温度及压力的监测，实现对一次侧的供汽量和二次循环水供水温度，流量的自动调节以适应热用户的实际需求。
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河北联合大学综合课程设计说明书 2 总体设计方案
2.3.2 循环水泵
换热站的水利循环以及补水定压都需要水泵，水泵的种类很多，按工作原理分为：
1）叶片式水泵：它对流体的压送是靠装有叶片的叶轮的高速旋转完成的。包括离心泵、轴流泵、混流泵的等。
2）容积式水泵：它对液体的压送是靠泵体工作室的容积的改变完成的。如活塞式往复泵、转子泵等。
3）其他类型：上述的两种泵。如螺旋泵、射流泵、水锤泵、水轮泵以及气升泵等。他们都是利用高速液流的动能来输送液体的。
变频调速原理：通过流体力学的基本定律可知：循环泵属平方转矩负载，其n(转速)、Q(流量)、H(压力)以及P(轴功率)具有如下关系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。可以看出改变电机转速可以调节循环泵的流量的方法，要比采用阀门调节更为节能经济，设备运行工况也将得到明显改善。电机的转速与工作电源输入频率成正比，即： n =60 f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）,由于s、p对某一电机是固定值，因此通过改变电动机工作电源频率能达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理采用交-直-交电源变换技术，集电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。
对循环水系统进行变频的改造正是基于以上原理。改造后的系统，将室外温度、系统供回水压差及回水温度作为输入参数，加上PLC控制器处理下达变频调速指令，通过变频器适时适量地控制循环泵电机的转速来调节循环泵的输出流量，满足供暖负荷要求。这就使电机在整个负荷和变化过程当中的能量消耗降到最小程度。再有，应用变频器还能提高系统的功率因数，减少电机的无功损耗，并提高供电效率和供电质量。综上所述，不难看出，对供暖换热系统进行变频节能控制能够带来巨大的节能效果。对系统进行变频控制时，为确保安全可靠性，保证系统可以方便地在工频和变频两种运行状态下进行切换。 2.3.3 阀门
换热站中用到进气阀、减压阀、自动排气阀、止回阀等。自动排气阀是用来排出管道中蒸汽冷凝水，进气阀用来调节蒸汽量，减压阀是用来调节减少蒸汽的压力，止回阀是为了防止系统中的水倒流。
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2.3.4 温度计、压力表
换热站中采用温度计、压力计来测量进气、出气、供水、出水温度和压力，给其运行调节提供依据。 2.3.5 PLC S7-200
S7-200系列PLC是SIEMENS公司推出的一种小型PLC。它具有紧凑的结构，良好的扩展性能，丰富的指令功能，低廉的价格，极高的可靠性，强大的通信能力等，已成为现代工业各种小型控制工程的理想控制器。适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200的STEP7—Micro/WIM32编程软件可以方便地在Windows环境下对PLC编程、调试、监视和控制，使得PLC的编程更加方便、快捷。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
1）S7-200PLC系统硬件组成
S7-200系列PLC包含了一个单独的CPU主机和各种可选择的扩展模块，可以十分方便地组成不同模块的控制器。也可以方便地组成PLC-PLC网络和PLC-微机网络，完成规模更大的工程。S7-200 PLC系统硬件组成如图4-1所示。
工业软件 I/O CPU主机 模块 功能 模块 人机接口 通信模块
图4-1 PLC系统组成
2） CPU主机
CPU主机又称作CPU模块，也称为本机。CPU主机本身就是一个完整的控制系统，可以单独完成一定的控制任务。该模块的主要功能是：采集的输入信号通过中央
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处理器运算后，将生成结果传给输出装置，然后输出点输出控制信号，驱动外部负载做出处理。
S7-200 PLC主机型号有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226、CPU226XM等。CPU224XP为CPU224的改进型，CPU226XM为CPU226的增强型，功能有所加强。其中①CPU224集成了14点输入/10点输出，共有24点数字量I/O。2个模拟量电位器，最大可扩展35AI/AO点；1个RS-485通信/编程口，2路独立的(20kHz)高速脉冲输出，具有PID控制器，6路高速计数器(30 kHz)。它具有强大的模拟量处理能力，因此是S7-200系列产品中使用最多的。②CPU226集成了24点输入/16点输出，共有40点数字量I/O。2个模拟量电位器，最多可扩展35AI/AO点；2路独立的(20kHz)高速脉冲输出，具有PID控制器，6路高速计数器(30 kHz)，与CPU224相比，增加了通信口数量，2个RS-485通信/编程口。它主要用于点数较多，要求较高的小型或中性控制系统。
3） I/O模块
I/O模块内部没有电源模块，不可独立工作，主要是为CPU主机服务。当CPU主机I/O点数量不能满足控制系统的要求时，用户就可以根据需要扩展各种I/O模块，I/O模块包括输入模块EM221、输出模块EM222和输入/输出模块EM223等。
4） 功能模块
当需要完成某种特殊功能的控制任务时，需要扩展功能模块。包括模拟量输入模块EM231、模拟量输出模块EM232、模拟量输入/输出模块EM235、热电偶温度测量模块EM231TC、热电阻温度测量模块EM231RTD等。其中EM231模拟量输入点数为4；EM231TC模拟量输入点数为4；EM231RTD模拟量输入点数为2。
5） 通信模块
为组成各种层次的网络而扩展的专门应用于通信的模块为通信模块。 6) 人机接口
人机接口是近些年PLC发展进步的重要标志之一，可以充分和方便地利用系统的硬件和软件资源，通过友好的界面轻松完成各种监视、调整和控制任务。人机操作接口有文本显示器TD200和TD400，触摸屏TP170和TP270等。
7) 工业软件
工业软件是为了更好地管理和使用上述设备而开发的与之相配套的程序。 8） S7-200PLC扩展模块 1.开关量I/0扩展模块
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S7-200系列CPU主机提供一定数量的数字量I/O点，但在主机I/O点数不够的情况下，就必须使用扩展模块来增加I/O点。开关量I/O扩展模块一般也叫数字量扩展模块。开关量输入模块是用来接收现场输入设备的开关信号，将信号转换成PLC内不接受的低电压信号，并实现PLC内、外信号的电气隔离。分组式的开关量输入模块是将输入点分成若干组，每一组有一个公共端，各组之间是分隔的。开关量输出模块是将PLC内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信号，并实现PLC内外信号的电气隔离。典型的开关量输入模块和输出模块种类：
（1）输入扩展模块EM221有2种：8点DC输入和8点AC输出。
（2）输出扩展模块EM222有3种：8点DC晶体管输出、8点AC输出和8点继电器输出。
（3）输入/输出混合扩展模块EM223有6种：分别是4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）输出和4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）继电器输出。
对于开关量输入模块，在选择时没有特殊要求，输入端电源也可用PLC自带的传感器电源。
S7-200PLC的开关量输出模块主要有继电器输出和晶体管输出两种方式。 2.模拟量扩展模块
在工业控制中，压力、温度、流量和转速等输入量是模拟量，变频器、电动调节阀和晶闸管调速装置等设备要求输出模拟量信号进行控制。CPU主机一般只有数字量I/O接口，或者是仅具有少量的模拟量接口，所以就要进行模拟量输入和输出模块的扩展才能满足控制要求。模拟量扩展模块的主要功能是数据转换，并与PLC内部总线相连，也有电气隔离功能。模拟量输入（A/D）模块是将现场由传感器检测产生的连续的模拟量信号转换成PLC内部可接受的数字量；模拟量输出（D/A）模块是将PLC内部的数字量转换为模拟量信号输出。模拟量扩展模块类型如下：
（1）模拟量输入扩展
（2）模拟量输出扩展模块EM232 （3）模拟量输入/输出混合模块EM235
EM232的模拟量输出点数为2，信号输出范围：-10V到+10V，电流0到20MA。EM231模拟量输入点数为4，输出阻抗大于等于10M，最大输入电压30V DC，最大输入电流32MA。模拟量扩展模块的主要技术参数参见附录表A-4，A-5，A-6。典型模拟量扩展模块的量程为-10V到+10V，-5到+5V和4到20MA等，可根据实际需要选用不
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同等级，同时还应考虑其分辨率和转换精度等因素。特模拟量输入模块可用来直接接收传感器信号。
3.温度测量模块
温度测量模块专门为检测温度而设计。温度测量模块有热电偶温度测量模块EN231 TC和热电阻温度测量模块EM231RTD。
4.为控制模块
EM235位控模块是S7-200的特殊功能模块，它能够产生脉冲串用于步进电机或伺服电动机的速度和位置开环控制。它与S7-200通过扩展的I/O总线通信，它带有8个数字输出。
5.通信模块
（1）PROFIBUS-DP现场总线通信模块
EM277是PROFIBUS-DP的现场总线通信模块，用来将CPU224连接到PROFIBUS-DP现场总线网络。EM277通过RS-485通信接口连接到PROFIBUS-DP网络的其他设备上。
（2）AS-i接口模块
AS-i接口模块CP243-2是专门用于现场执行器和传感器接口的模块，并且有集成模拟量处理和传送单元。 （3）工业以太网模块
工业以太网根据 国际标准IEE802.3定义。S7-200PLC所应用的工业以太网模块主要有CP243-1和CP243-1 IT两种。 （4）调制解调器模块
调制解调器模块EM241，可连接到模拟电话线，应用Modbus主/从协议实现S7-200PLC主机与远程PC机进行通信，即实现PLC-TO-PC通信。
2.4 换热站工作原理
换热站的工作原理为热源提供的蒸汽在换热器中与循环水相混合，加热循环水并经供水管道输送到用户，再把用过的热水经回水管道通过循环水泵回收到换热器中加热循环使用，利用供，回水温差产生的热量给用户供暖。
该结构采用的调节方式是一次侧采用量调节方式，二次侧采用分阶段改变流量的质调节方式，本系统的控制部分采用PLC可编程控制器进行计算及控制各传感元件和执行器，实现对换热站的自动调节。
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以热水和蒸汽为载能体，通过管网为一个区域的所有热用户供热。通常是由一个和多个供热设备集中供热，例如供热锅炉、热电联产装置、温泉地热、低温供热核反应堆的热源及工业余热等。集中供热系统是由热源、热用户和热网三部分组成。热源负责制备热媒，热力网负责热媒的输送，热用户是指用热场所。集中供热系统的热用户有供暖、通风、热水供应、空气调节及生产工艺等用热系统。
由于供热系统中热用户的热负荷并不是恒定的，如供暖通风热负荷随室外气象条件变化，热水供应和生产工艺用热随使用条件等因素变化。要保证供热质量，满足各热用户要求，并使热能的制备和输送合理，就要对供热系统进行运行调节一一也就是供热调节。
在城市集中热水供热系统中，供暖热负荷是系统最主要的热负荷，甚至是唯一的热负荷。因此，在供热系统中，通常按照供暖热负荷随室外温度的变化规律，作为供热调节的依据。供热调节的目的，在于使供暖用户的散热设备的放热量与用户热负荷的变化规律相适应，以防止供暖热用户出现温度过高或过低。
换热站是供热网路与热用户的连接场所，在其内安装有与用户连接的有关设备、管道、阀门、仪表和控制装置。它的作用是根据热网工况和不同的条件，采用不同的连接方式，将热网输送的热媒加以调节、转换，向热用户系统分配热量以满足用户的需求;同时还应根据需要，进行集中计量、检测供热热媒的参数和数量。根据规模和设置地点不同，换热站又可分为首站、区域换热站、集中换热站和用户换热站。热力输配网络控制的重点是换热站的控制。
换热站主要完成从供热一次网到二次网的热量交换，置换出的二次网的热水温度一般在40℃~65℃之间。换热站监控系统可对热网的温度、压力、流量、开关量等进行信号采集测量、控制、远传，实时监控一次网、二次网温度、压力、流量，循环泵运行状态，及水箱液位等各个参数信息，进而对供热过程进行有效的监测和控制。在供热期间可按室外温度调节二次网供回水温度（可手动、自动切换），达到按需供热，实现气候补偿节能控制；也可以进行分时分区节能控制，实现供热全网热量平衡及节约能源。
该方案主要是结合换热站的实际情况，通过对环境温度，二次供水温度及压力的监测，实现对一次侧的供汽量和二次循环水供水温度，流量的自动调节以适应热用户的实际需求，同时对二次管网系统进行自动补水定压以维持其的稳定性。
2.5系统总体方案设计思路
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集中供热系统的控制是一个多层次的复杂控制系统。由换热站控制柜和检测控制系统构成，控制柜完成循环水泵系统和补水系统的控制功能，具有手动和自动运行模式，也有工频和变频运行模式。
PLC可以根据室外温度传感器测量的室外温度对一次供汽量进行控制，以达到对二次供水温度进行控制，提高供热质量的目的。PLC通过压力传感器和变频器来实现对二次供水压力的控制，当一台水泵无法通过变频补水达到所要求的压力时，控制器可使另一台备用泵以工频的方式进行。
换热站的运行程序独立存在于其控制系统PLC内，能够脱离上位机监控管理软件而独立运行，其运行可以通过中央控制室上位机监控管理系统来观察并实施调整。各个换热站独立工作的同时，利用通讯系统将运行状态数据传给监控管理系统供参考，同时接受监控管理软件进行的运行参数调整。
2.6 该方案要实现的控制功能
本方案包括以下基本控制功能
1.运行参数检测功能：该热交换站主要监测内容有一次热媒侧供回水温度、二次热水流量、二次供回水温度、供回水压差、室内外温度、供热水泵工作、故障及手动，自动转换状态等。并进行信号处理后在彩色显示器上显示，同时还显示运行模拟图、主要工艺参数的变化曲线等画面。换热站监控系统主要检测内容又一次热媒侧供回水温度、二次热水流量、二次供回水温度、供回水压差、室内外温度、供热水泵工作、故障及手动、自动转换状态等。
（1）、系统可以自动进行故障诊断，并在监控画面上显示各工况参数并控制设备运行状态。
（2）、根据本地的气候条件以及供热对象的特性，给出一条室外温度与二次供水温度之间的对应曲线。控制器可以通过这条曲线根据室外温度传感器测量的室外温度对一次供汽量进行控制，以达到对二次供水温度进行控制，以达到节省能源，提高供热质量的目的。
（3）、在系统中增加晚间节能的设置，根据需要设置晚间供热温度。自控系统通过加入时间日程表的控制，实现一天当中不同时刻对应不同的温度。
（4）、PLC通过压力传感器和变频器来实现对二次供水压力的控制，当一台补水泵无法通过变频补水达到所要求的压力时，控制器可使另一台备用泵以工频的方式进行补水。最终实现更加智能化得恒定补水控制。
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河北联合大学综合课程设计说明书 2 总体设计方案
（5）、当前可编程控制器是专业为工业环境下应用而设计的工业控制计算机，已成为电气控制系统中应用最为广泛的核心位置，他不仅能实现法杖的逻辑控制，还能完成各种顺序或定时的闭环控制功能，并且抗干扰能力强、可靠性高稳定性好、体积小，能在恶劣环境下长时间不间断运行。
（6）、在换热站的控制系统中还附加了安防系统的功能，在监测环境温度湿度的同时，还可检测门窗、电源、电压、电流、地面水分、设备温度等安防信息，出现意外时，系统自动远程报警，达到无人值守基站的防护标准。 7)换热站控制系统的调节系统采用PID调节控制，确保了进气和供水温度、压力准确稳定，使换热站温度达到用户的要求，并对其故障实现实时报警和连锁启停切换控制。
2.控制功能
（1）供水温度的自动控制：根据装设在热水出水管处的温度传感器检测的温度值与设定值的偏差，自动调节二次侧供热水泵的频率，实现水泵的变频调节。实际使用中当高温水侧流量变化时，出口温度就降低，用一般反馈由于存在较大的惯性滞后可能使供水温度产生较大的动态偏差，为此在系统中应加入流量前馈补偿信号。
（2）供回水压差控制：测量供回水压差控制其旁通阀的开度，以维持压差设定值；
（3）当供热泵停止运行时，一次热媒电动调节阀自动关闭；
（4）根据装设在热水出水管处得温度传感器检测的温度值与设定值的偏差，自动调节二次侧供热水泵的频率，实现水泵的变频调节。实际使用中当温度水侧流量减小时，出口温度就降低，采用一般反馈由于存在较大的惯性滞后，可能使供水温度产生较大的动态偏差，因此在系统中应加入流量前馈补偿信号。另外由于供水温度的设定值主要由室内温度来确定，因此还需要对室内温度进行控制。找一个标准房间作为被调对象进行室内温度的调节，其设定温度约为18度，从而通过测定满足室内温度的换热站出水温度和回水温度及流量，并通过计算获得较为准确的跟踪实际情况的热负荷，达到按需供热的目的。
3. 报警功能：系统将对运行参数越限、运行故障和设备故障报警并发出相应的报警信号。
4．丰富的实时管理功能：操作人员可方便地在线修改各受控输出的设定值、越限报警值和故障报警值。维修人员可方便地调整内部参数，使之适应系统的大幅度调整，如更换仪表、执行机构等。
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河北联合大学综合课程设计说明书 3 具体实施方案
第三章 控制系统实施方案
3.1 换热站与热用户的连接方式
换热站与热用户的连接方式为间接连接方式。
间接连接方式是指热网循环水与热用户内部采暖系统循环水相互隔绝，而其间只限于热量交换的连接形式。从运行角度来分析，直接连接系统的水力工况和热力工况受到热网运行工况的影响，故又称为局部系统与热力网的关联式连接。
即一次供水和二次供水分开，如图所示:
3.2 温度的控制调节
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与设定供水温度，控制元件是换热器一次侧的电动调节阀，该阀门控制换热器的一次供汽量。将预设定温度作为给定值，测量温度值作为反馈值，阀门的开度作为输出值，保证二次供水温度的恒定。当换热器的二次供水温度偏离设定值时，控制调节系统就自动调整执行器的动作，即改变电动调节阀的开度，从而改变进入换热器的一次热媒的流量，改变传送到换热器的热能，使二次的供水温度稳定在设定值附近。
为了保质供热质量，采用了如图所示二次供水温度自控系统对工况进行分段质调节。主要功能是通过对二次供水系统的温度检测、分析，结合外界干扰因素，算出最佳供水温度，通过调节一次管网流量，使二次供水温度接近设定值。控制元件是换热
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河北联合大学综合课程设计说明书 3 具体实施方案
器一次水出口的控制阀，该阀门控制换热器的一次供水流量。将预设定温度作为给定值，测量温度值作为么馈值，阀门开度作为输出值，采用PID算法，保证二次供水温度的恒定。
如下图所示：根据传感器检测到的实际温度值，使用下面介绍的关系模型，计算出相应的二次供水温度设定值，根据一次供水温度情况，采用温度智能PID控制器，实时调节控制一次管网的控制阀，以使实际的二次供水温度与其设定值相符。
控制原理如图： 二次供水温度 二次 回水温度 PLC 控制器 一次回水控制控制对 象换热器 二次供水温度
温度传感器 3.3 循环水流量的调节控制
由于供暖系统供暖的热负荷是随着室外温度等因素的变化而不断的变化，当室外温度偏高时，供暖热负荷就应偏低，如果还按着设计热负荷进行供暖就会造成不必要的浪费。针对上面出现不必要浪费的情况，对换热站二次侧采用分阶段改变流量的质调节方式。把室外温度分成二个阶段，当室外温度高于某个设定值时，循环水泵工频运行；当室外温度低于设定值时，循环水泵以0.75工频运行，此时系统的循环水量也就相应的减小。分阶段改变流量的质调节方式的控制原理如图所示，调节器变频器循环水泵。
控制原理如图所示：
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温度传感器 室外温度 变频器 水泵 水流量 PLC 3.4 压力的调节控制
压力传感器将用户管网水压信号变成电信号(4一20mA)，送给变频器内部PID控制器，PID控制器根据压力设定值与实际检测值进行 PID运算，并给出信号控制水泵电动机的电压和频率。当用水量较少时，1#泵在变频器控制下变频运行。如需水量加大，压力传感器在管网端测的水压偏小，则变频器输出频率上升，直到50Hz。这时1#泵由变频切换为工频运行状态。同时系统对 2#泵进行变频起动和调节。如果两台泵供水仍不能满足供水要求，则系统将2#泵投人工频进行，将3#泵投人变频运行。供水量增大，加泵情况依次类推。如用水量减少，变频器的频率会下降。当变频器频率下降至下限值时，PLC将最先工频运行的水泵停掉如果频率下限值仍持续出现，PLC再停止第2台工频运行的水泵。系统按先开起的泵先切除的顺序逐台切换泵，以维持管网水压恒定。
调节器 压力传感器 - 17 -
变频器 水泵 管网 河北联合大学综合课程设计说明书 3 具体实施方案
3.5 换热站总体控制系统方案
3.5.1 换热站控制系统设计
现场PLC控制站主要由液晶显示操作终端和控制系统两部分组成。彩色液晶显示屏主要完成各种监控画面、采集参数的显示，并接受一些参数设定的输入信息。控制系统采用性价比较高的和利时LM系列PLC，包括CPU模块、I/O模块，背板等，系统集成多种通讯接口，适用于各种通讯网络。 现场PLC控制站主要功能是对各换热站、供热沿线各节点、热用户运行参数（一、二次网温度、压力、流量等）、各种设备运行状态进行实时监控及采集，并根据气象环境和负荷的变化按预先设定的控制策略对换热站循环泵、补水泵和调节阀进行自动调节，来实现换热机组的完全自动控制。
3.5.2 控制系统硬件总体框架图
压力 显示器 温度传感 温度 变频器 水泵电机 压力传感PLC 控制器 控制回路
3.5.3 换热站控制系统电气图
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河北理工大学综合课程设计说明书 参考文献
参考文献
[1]廖常初. PLC编程及应用. 机械工业出版社, 2009 [2] 热工测量手册
[3]中国电子学会. 2000/2001传感器与执行器大全.电子工业出版社,2001 [4]柴瑞娟,陈海霞. 西门子PLC编程技术及工程应用.机械工业出版社,2006 [5]文锋，陈青. 自动控制理论. 中国电力出版社. 2008 [7]林德杰. 过程控制仪表及控制系统.机械工业出版社,2008 [8] 邵裕森,戴先中. 过程控制工程. 机械工业出版社, 2000
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