本文重点介绍通过PID算法实现汽水换热器的出水温度控制。文章通过实际工程从供热首站自控系统构成、系统控制思想以及供热首站系统的实现几方面来对PLC系统在供热首站控制中的应用进行了详细阐述。
1、前言
在城市集中供热系统中，供热首站作为热网系统的第一个环节，供热首站的控制效果直接决定热用户的采暖效果，控制系统的自动化程度也决定了操作人员的劳动强度。
2、供热中首站系统构成
2.1首站供热系统构成
在晨鸣新力热电东城供热首站中，包括3台汽轮机带动3台循环泵运转用于主管网水的循环，一台变频器带3台电机实现恒压补水4套汽水换热器，一个储水箱用于收集冷凝水。4套汽水换热器中，其中一套使用汽轮机的出口蒸汽，3套汽水换热器分别通过电动阀门控制蒸汽流量来控制出水温度。
1、前言
在城市集中供热系统中，供热首站作为热网系统的第一个环节，供热首站的控制效果直接决定热用户的采暖效果，控制系统的自动化程度也决定了操作人员的劳动强度。
2、供热中首站系统构成
2.1首站供热系统构成
在晨鸣新力热电东城供热首站中，包括3台汽轮机带动3台循环泵运转用于主管网水的循环，一台变频器带3台电机实现恒压补水4套汽水换热器，一个储水箱用于收集冷凝水。4套汽水换热器中，其中一套使用汽轮机的出口蒸汽，3套汽水换热器分别通过电动阀门控制蒸汽流量来控制出水温度。
2.2首站控制系统构成
在本系统中，后台采用InduView SCADA/HMI件，同时实现了对首站和二级站的数据采集与控制，很好的实现了整个供热系统的监测与控制功能，实现了首站少人值班，二级站无人值班的运行方式。
控制系统采用西门子PLC300系列中的CPU315-2DP，控制功能包括：3台汽轮机的运行保护，采用PID算法控制变频器驱动3台补水泵实现自动恒压补水，采用扩展的PID算法，通过电动阀门控制蒸汽流量实现温度的控制。
InduView SCADA/HMI基于中文Windows
2000/XP和主流UNIX操作系统，用户界面友好，具有分组显示、趋势图显示打印、动态流程、报警管理、报表及记录功能，并配以相应的事件存取、分析、打印、追忆等监控功能。操作员通过丰富灵活的动态画面，可以方便准确地完成对工业现场的监视、操作任务。
在本系统中，后台采用InduView SCADA/HMI件，同时实现了对首站和二级站的数据采集与控制，很好的实现了整个供热系统的监测与控制功能，实现了首站少人值班，二级站无人值班的运行方式。
控制系统采用西门子PLC300系列中的CPU315-2DP，控制功能包括：3台汽轮机的运行保护，采用PID算法控制变频器驱动3台补水泵实现自动恒压补水，采用扩展的PID算法，通过电动阀门控制蒸汽流量实现温度的控制。
InduView SCADA/HMI基于中文Windows
2000/XP和主流UNIX操作系统，用户界面友好，具有分组显示、趋势图显示打印、动态流程、报警管理、报表及记录功能，并配以相应的事件存取、分析、打印、追忆等监控功能。操作员通过丰富灵活的动态画面，可以方便准确地完成对工业现场的监视、操作任务。
3、首站自动控制系统的实现方法
3.1补水泵的控制
首站通过变频器机柜，通过一台变频器带3台电机，给供热系统恒压补水。这种运行方式比较常见，简要的介绍一下：通过PLC控制三台补水泵的运行，设定好运行压力后，其中一台泵变频起动，在达到一定的时间后，改为工频运行，如果未到设定的压力，第二台泵变频起动，同理，第三台泵也是如此。如果运行压力超过了设定压力，则要顺序停止补水泵。在设定压力的一定范围内，补水泵通过PLC的PID算法变频运行，保持补水的压力基本恒定。同时还要考虑其他因素，这些对于系统的安全运行都有重要作用。包括过载、过压，突变压，与汽轮机等设备的连锁。此功能使用到了PLC带的常规的PID控制，很好的实现了恒压补水。
3.1补水泵的控制
首站通过变频器机柜，通过一台变频器带3台电机，给供热系统恒压补水。这种运行方式比较常见，简要的介绍一下：通过PLC控制三台补水泵的运行，设定好运行压力后，其中一台泵变频起动，在达到一定的时间后，改为工频运行，如果未到设定的压力，第二台泵变频起动，同理，第三台泵也是如此。如果运行压力超过了设定压力，则要顺序停止补水泵。在设定压力的一定范围内，补水泵通过PLC的PID算法变频运行，保持补水的压力基本恒定。同时还要考虑其他因素，这些对于系统的安全运行都有重要作用。包括过载、过压，突变压，与汽轮机等设备的连锁。此功能使用到了PLC带的常规的PID控制，很好的实现了恒压补水。
3.2换热系统电动阀门的自动控制
供热站有四台换热器，其中三台是通过对电动阀门开度的控制，实现供水温度的控制。为了实现对出水温度的控制，在每一套汽水换热器的出水管道上安装了温度变送器，电动阀具有阀门开度反馈。
由于管路中水量大，加热延时时间长，汽水换热器属于大时滞温度控制对象，恒压补水已经使用了PLC自带的PID算法，是快速反应系统，设定好的参数不适用于换热器电动阀的控制，不能实现预想的效果。而出水温度受到多方面的影响，阀门的开度，蒸汽的压力、温度，回水的温度、循环泵的运转速度、水流量都是影响出水温度的重要因素。同时温度测量也是影响控制效果的重要因素，从记录的温度连续曲线可以看出，由于管道直径较大，汽水换热器出水的水流尚未充分混合，水的温度在测点部位并不是缓慢变化的，会有3到5摄氏度的快速变化。
电动阀门寿命也是要考虑的因素，不能频繁动作。电动阀门的随动执行系统，为了减少阀门的抖动，设定了一定范围的控制死区，PLC微小的AO输出变化，并不能引起阀门的开度变化。这些都是在控制时需要考虑的因素，而这些因素的存在，也加大了温度自动控制实现的难度。
对于这样的大时滞温度控制对象，通过软件编程扩展了PID的用法，对于PID模块除了常规的比例、积分和微分的相关参数设置，还通过定时器和一些中间变量，扩展了PID模块的控制逻辑，经过参数的优化，很好的实现了供水温度的控制。
供热站有四台换热器，其中三台是通过对电动阀门开度的控制，实现供水温度的控制。为了实现对出水温度的控制，在每一套汽水换热器的出水管道上安装了温度变送器，电动阀具有阀门开度反馈。
由于管路中水量大，加热延时时间长，汽水换热器属于大时滞温度控制对象，恒压补水已经使用了PLC自带的PID算法，是快速反应系统，设定好的参数不适用于换热器电动阀的控制，不能实现预想的效果。而出水温度受到多方面的影响，阀门的开度，蒸汽的压力、温度，回水的温度、循环泵的运转速度、水流量都是影响出水温度的重要因素。同时温度测量也是影响控制效果的重要因素，从记录的温度连续曲线可以看出，由于管道直径较大，汽水换热器出水的水流尚未充分混合，水的温度在测点部位并不是缓慢变化的，会有3到5摄氏度的快速变化。
电动阀门寿命也是要考虑的因素，不能频繁动作。电动阀门的随动执行系统，为了减少阀门的抖动，设定了一定范围的控制死区，PLC微小的AO输出变化，并不能引起阀门的开度变化。这些都是在控制时需要考虑的因素，而这些因素的存在，也加大了温度自动控制实现的难度。
对于这样的大时滞温度控制对象，通过软件编程扩展了PID的用法，对于PID模块除了常规的比例、积分和微分的相关参数设置，还通过定时器和一些中间变量，扩展了PID模块的控制逻辑，经过参数的优化，很好的实现了供水温度的控制。
根据西门子的PID功能块的用户手册的要求，PID功能块FB41需要在周期性中断功能中调用，按此要求在CPU315-2DP中可以使用OB35来周期的调用FB41，而OB35的中断周期，需要在硬件配置的时候设置好，在使用过程中，如果要改变中断周期，需要停机。这就为工程调试带来不便。
在工程调试中，对于这种大时滞的温度对象，按照手册的要求使用FB41，反复调整PID的各种参数，其输出值的变化仍然显得太快，造成超调，在这种情况下，根据PID功能块周期执行的特点，增加了定时器，设定中间变量，增加PID功能块FB41的执行间隔。经过参数的调整，很好的解决了这个问题。
四套汽水换热器在实际运行中，通过的水流量是有差异的，所以出力也不同，其中一套采用驱动汽轮机后的蒸汽，出水温度不受控制，受控的三套汽水换热器，使用同样的出口温度设定值，独立的采用PID控制算法，分别控制电动阀的开度。
电动阀门的控制分为三种运行方式，包括，断电的情况下就地通过把手手动调节、上电的情况下远程手动设定开度控制阀门、PLC自动根据温度控制阀门开度。电动阀门的控制也要考虑与其他设备的连锁关系，包括汽轮机的运行状态、管网压力、温度突变等都要有相应的处理程序。
自动控制是主要的运行方式，减轻了值班人员的劳动强度。
在工程调试中，对于这种大时滞的温度对象，按照手册的要求使用FB41，反复调整PID的各种参数，其输出值的变化仍然显得太快，造成超调，在这种情况下，根据PID功能块周期执行的特点，增加了定时器，设定中间变量，增加PID功能块FB41的执行间隔。经过参数的调整，很好的解决了这个问题。
四套汽水换热器在实际运行中，通过的水流量是有差异的，所以出力也不同，其中一套采用驱动汽轮机后的蒸汽，出水温度不受控制，受控的三套汽水换热器，使用同样的出口温度设定值，独立的采用PID控制算法，分别控制电动阀的开度。
电动阀门的控制分为三种运行方式，包括，断电的情况下就地通过把手手动调节、上电的情况下远程手动设定开度控制阀门、PLC自动根据温度控制阀门开度。电动阀门的控制也要考虑与其他设备的连锁关系，包括汽轮机的运行状态、管网压力、温度突变等都要有相应的处理程序。
自动控制是主要的运行方式，减轻了值班人员的劳动强度。
实际控制效果见图2和图3。
此图是连续3天的控制曲线，在图中表示为今日、昨日和某日，这是其中一个换热器的出水温度和对应的电动阀的开度。温度设定为60度，可以看到电动阀的开度变化很大，出水温度在设定值附近变化，平均温度与设定温度相差很小。在今日17点左右，设定温度调整为65度，可以看到系统很好的做出了响应。用户对控制效果很满意。
实际的运行状态曲线表明，采取的控制策略很好的抑制了超调，减少了电动阀门的动作次数，而温度的波动范围也在较小的可接受的范围内，达到了设想的目标。
图3是四套汽水换热器混合后的温度，连续三天的曲线可以看出，在换热器出水温度设定在67摄氏度的情况下，出水温度在设定温度的较小范围内波动。
此图是连续3天的控制曲线，在图中表示为今日、昨日和某日，这是其中一个换热器的出水温度和对应的电动阀的开度。温度设定为60度，可以看到电动阀的开度变化很大，出水温度在设定值附近变化，平均温度与设定温度相差很小。在今日17点左右，设定温度调整为65度，可以看到系统很好的做出了响应。用户对控制效果很满意。
实际的运行状态曲线表明，采取的控制策略很好的抑制了超调，减少了电动阀门的动作次数，而温度的波动范围也在较小的可接受的范围内，达到了设想的目标。
图3是四套汽水换热器混合后的温度，连续三天的曲线可以看出，在换热器出水温度设定在67摄氏度的情况下，出水温度在设定温度的较小范围内波动。
4、结论
本文对于采用汽轮机、汽水换热首站的自动运行提供了一个低成本的控制运行方案，在实际应用中采用一套西门子PLC的CPU315实现了恒压补水与换热器出水温度的恒温控制，同时实现了汽轮机运行保护，降低了整个控制系统的造价，提高了换热站的控制效率，取得了很好的控制效果，自投运以来，一直处于自动运行的状态，值班人员对系统的干预主要是设定补水的压力和出水的温度，极大的减轻了值班运行人员的劳动强度。运行结果表明，系统的控制方法先进，性能优越，功能齐全，使用方便可靠。本系统虽是针对供暖而设计，但是它综合考虑了恒压补水和恒温控制的基本思想，因而具有一定的针对性和应用广泛性。
本文对于采用汽轮机、汽水换热首站的自动运行提供了一个低成本的控制运行方案，在实际应用中采用一套西门子PLC的CPU315实现了恒压补水与换热器出水温度的恒温控制，同时实现了汽轮机运行保护，降低了整个控制系统的造价，提高了换热站的控制效率，取得了很好的控制效果，自投运以来，一直处于自动运行的状态，值班人员对系统的干预主要是设定补水的压力和出水的温度，极大的减轻了值班运行人员的劳动强度。运行结果表明，系统的控制方法先进，性能优越，功能齐全，使用方便可靠。本系统虽是针对供暖而设计，但是它综合考虑了恒压补水和恒温控制的基本思想，因而具有一定的针对性和应用广泛性。
