基于研华模块与组态软件MCGS实现热网监控系统的设计

 引言

集中供热具有节约能源和改善城市环境等方面的积极作用，而且日益成为城市公用事业的一个重要组成部分。随着国民经济的飞速发展，城市集中供热的壮大，科学管理热力管网具有重大的经挤效益和社会效益。

换热站是连接供热站和用户极为重要的环节，不仅其工作的安全性、可靠性直接影响锅炉的安全性及供热质量，而且对提高其工作效能还具有十分重大的节能意义。连接于热源和热用户之间的供热系统是整个集中供热系统的重要组成部分。

1 热水交换站介绍

换热站又称热力站，其主要是将一次网的热量通过换热器进行热交换后，将二次网热水送到各个热用户，从而达到供暖的目的。利用先进的工业自控技术、计算机技术、通讯技术构成的换热站及远程监控管理系统，对热力系统实施更科学、更规范的监控管理，提高中央调度室的监控能力，具有非常巨大的经济效益和社会效益。

居民小区的供热系统主要包括小区的热水管网和热力站，热水管网又分为一次网与二次网，一次网是指连接于城市管网与热力站之间的管网，二次网是指连接于热力站与热用户之间的管网，热力站是指连接于一次网与二次网并装有相关设备、仪表和控制设备的机房，是热量交换、热量分配以及系统监控和调节的枢纽，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，也是计量供热系统能够正常运行的重要组成部分。

换热站主要构成：热水交换器、二次热水循环泵、补水泵管、网中各种阀体、传感器及仪表。

2 现状及改造控制方式

目前换热站大多采用人工测温，现场仪表，人工手动控制调节阀，设备简单，方式落后，这样既浪费人力，又在出现事故隐患时难以发现，丢水、漏水不断发生，易造成热力失衡，影响供热效果，从而造成能源的极大浪费。水力失调现象难以清除，使用户冷热不均，发生事故时不能及时报警，影响供热系统的可靠运行，并且各站之间难以统一调度，容易造成热力失衡，不能做到最大限度能源利用。

本系统是对我市某区的十个传统换热站进行的改造工程。使用一台计算机作为上位机，通过无线通信。对十个换热站的工作状态进行远程监控。换热站现场采用北京研华公司的4000系列数据采集模块进行数据采集、MCGS组态软件实现工况监测、故障保护及事故报警。正常情况下，上位机的监控人员根据上传数据可实时通过上位机对该站的水泵进行起停控制，实现换热站的无人值守。

图 1 换热站管网系统图

2．1 系统功能介绍

换热站计算机监控系统按照功能可分为两部分：上位机（监控中心）和下位机（本地现场控制）。

2．1．1 上位机主要功能

（1）巡回检测各换热站及泵房的实时参数，包括各站每台泵的工作状态、过载状态、泵电流，各站二次侧回水压力、出水压力、回水温度、出水温度、水位等。

（2）接收和记录下位机传来的报警信号，包括电源掉电，火警信号。

（3）远程开、关泵操作。可分别对各站每台泵单独进行起、停控制操作。

（4）使用曲线图、表格方式显示实时数据和历史数据以及表格打印。

2．1．2 下位机主要功能

（1）现场数据采集和处理，发出执行动作信号，与上位机交换信息。

（2）一次侧回水温度、出水温度、回水压力、出水压力监测。

（3）二次侧各泵电流的监测及电流超高、低限时自动停泵。

（4）二次侧水位监测。超高、低限报警。

2．2 硬件实现

针对我市某换热站项目改造，采用研华数据采集控制模块，实现换热站各个数据采集，通过MCGS组态软件实现动态监控及控制。

2．2．1 研华模块

目前基站控制，多采用PLC控制方式，小型PLC多为I／O口，通常无A／O口，通讯功能差。中型PLC通常为机架组合式，造价高，采用研华数据模块4017，4022T可以最大性价比实现此要求：

（1）4017 8路模拟量输入模块

16位分辨率；8路差分输入；输入类型：mV，V，mA；隔离电压：3 000 Vde；支持Modbua／RTU控制；支持4～20 mA。

数据采集如下：一、二次侧的进出水温度，一、二次侧的进出水压力，一、二次侧的进出水流量等。

（2）4022串行双回路PID控制器

通道数：4、输入类型：热电偶，mA，V，热电阻、输入范围：0～20 mA，4～20 mA，O～10 V、内置看门狗定时器。

系统中采用二次网供水温度作为反馈控制一次网调节阀的开度，二次网供水温度可以在上位机的设定窗口中设置，在4022T模块的控制下，实现PID控制进行换热器网供水入口的调节阀开度控制。

2．2．2 MCGS触摸屏组态软件

在组态软件的控制下，通过对室外温度、二次回水温度进行采集，计算出二次供水温度，依此对循环泵的流量进行控制，从而实现稳定供热。

采用变频调速技术控制循环泵的流量，实现对供热流量的调节，可达到节能的目的。供热系统在运行中管网失水是不可避免的，如果不进行及时补水，不仅会造成管网压力下降，还造成整个供热系统不能正常运行。系统的补水部分由压力传感器对管网的水压进行测量，并与给定的压力值进行比较，根据二者的偏差对补水泵进行 PID控制，保证供水压力恒定。

2．3 节能分析

在控制系统的稳定调节性能的配合下这些节能措施的功效得到了充分的发挥。具体比较分析如下：

从表l中看出随着热负荷的下降节能效果愈发明显，这主要由于研华数据采集控制模块准确采集管网数据，通过PID控制合理调整调节阀开度，在低热负荷状态下可以节约大量的热能经济效益显著。

3 结论

本系统能够实现换热站现场运行工况的实时在线监控，研华数据采集控制模块和触摸屏的结合，帮助运行管理人员及时准确地了解现场运行工况、调整运行参数，实现按需供热，提高供热质量，节约能源，从而提高了整个系统运行的安全性，稳定性和经济性，在城市集中供热系统具有广泛的推广价值。