冯 涛，王可宁，潘春佑，俞永江，肖亚苏

(自然资源部 天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

近年来，随着自动化技术的发展以及热电厂对热网补水质量要求的不断提高，持续稳定的热网补给水源已经成为热电厂经济和安全运行的必要保障。传统的恒压供水方式主要包括人工阀门调节和电接点压力表机械控制的方式，二者均存在自动化程度低，调节滞后长和调节线性度低的弊端；此外，这两种控制方式下的供暖管网运行压力也极不稳定，导致管网热效率较低，而且人员的误操作还会导致供暖管网的锅炉设备出现气蚀现象，造成锅炉损坏等不可逆的影响。因此，开发新型恒压补水系统对提高热电厂供热效率和降低运行成本具有十分重要的意义[1-3]。

PID控制技术是目前自动化领域应用较广的闭环控制系统, 具有组网灵活、控制精度高、调节响应快等优点。研究设计开发了一种基于PID随动控制的恒压供水系统，并依托内蒙古巴彦淖尔某新建电厂“2×120 t/h(反渗透)+3×100 t/h(纳床)”软化水设备的热网补水系统中得以实际应用。

1 总体控制方案

整个软化水系统由2台产能为120 t/h的反渗透装置和3台产能为100 t/h的钠床及再生装置组成，而热网补水系统则由3台变频热网补水泵及配套变频器、热网管路压力变送器、可编程逻辑控制器PLC以及PID模块组成，根据锅炉补水需求量调节设备运行状态以及热网补水泵启动台数和运行频率等参数。

热网补水系统的具体控制方案为：(1)系统切换至全自动运行后，首先采用斜坡启动方式启动1#热网补水泵(P301)至35 Hz后，采集热网补水管路压力变送器信号与设定信号进行比较。(2)根据比较结果输出反馈信号，对1#热网补水泵(P301)频率进行正/负反馈调节。(3)当1#热网补水泵(P301)输出频率调节至最大值(50 Hz)后仍无法满足热网补水需求，1#热网补水泵(P301)由变频切换至工频运行，同时自动启动2#热网补水泵(P302)至初始设定频率(35 Hz)后，继续采集热网补水管路压力信号与设定参与进行比较。(4)同理，当同时调节1#和2#热网补水泵变频器至最大频率后(50 Hz)，仍然无法满足热网补水需求，则1#和2#热网补水泵同时切换至工频运行，同时启动3#热网补水泵(P303)至初始设置频率(35 Hz)。(5)采集热网管路压力值与设定压力值进行比较，输出反馈信号，对3#热网补水泵进行调节。(6)若后续运行压力过高，系统按照“先启先停，后启后停”的原则降低高压泵频率或停止水泵工作。系统由软化水处理系统、软化水热网补水系统和PLC及上位机监控系统组成，整体控制框图如图1所示。

图1 热网恒压补水控制系统框图Fig.1 Block diagram of constant presure water supply control system for heat supply network

软化水处理系统由反渗透和钠床两大主体单元组成，反渗透采用“预处理+保安+一级两段反渗透”工艺流程，设计数量2套，单套设计产水规模120 t/h；钠床系统则采用“自清洗过滤器+钠床+树脂捕捉+再生”的工艺流程，设计数量3套，单套设计产水规模100 t/h。热网补水系统由三台热网补水泵(90 kW)及配套变频器和热网补水主管路安装的压力传感器组成。上位监控系统由PLC模块、WinCC上位采集监控模块和PID随动控制模块组成。文章着重介绍热网补水及上位监控系统两部分。

2 硬件设计

2.1 硬件设备选型

根据设备实际运行需求，分别对水泵、变频器、PLC控制器、水泵、压力传感器以及接触器主体设备进行选型。系统的硬件选型表如表1。

表1 硬件设备选型清单Tab.1 Hardware equipment selection list

其中，变频器选用ABB中ACS510系列产品，通过变频器自带PID控制宏实现单台水泵的恒压供水，降低单独采购PID控制器的成本。

2.2 主电路设计

3台异步电机分别命名为M1、M2、M3。KM11、KM21、KM31则分别为3台电机工频运行时所使用的接触器，KM12、KM22、KM32则分别是3台电机变频运行时所使用的接触器。系统硬件设计图以其中1台电机回路为例，如图2。

此外，系统在硬件设计过程还针对实际运行进行了以下考虑并在设计中予以体现：

(1)降低变频器运行过程中产生的信号干扰。由于变频器的输出部分往往采用IGBT开关器件，在输出能量的同时会在输出电缆上产生较强的电磁辐射干扰。在系统硬件设计过程中，针对以上问题作出如下设计细节的处理：①开关电源进线前端增设稳压滤波装置。②西门子的模拟量扩展模块公共端M0与压力传感器4 mA～20 mA信号负端短接用以补偿共模波动[4-5]。③信号传输电缆选用KVVP屏蔽线缆，且设计屏蔽线缆屏蔽层接地。

(2)同一电机的变频及工频运行工况之间实现快速切换，减少对电机的冲击。在硬件上设置闭锁保护和时间继电器，如图2所示两个接触器之间不会同时吸合且可实现毫秒级切换。

图2 主电路硬件设计图Fig.2 Hardware design of main circuit

3 软件开发

3.1 PID随动控制算法设计

PID算法因具备被控量调节精确、参数选择相对简单等优点得以在各行各业中被广泛应用。然而，结合研究应用的实际情况出发进行考虑，热网补水系统恒压供水运行时存在3台热网补水泵切换频繁、调节非线性以及随机性较强的特点。传统的PID控制算法无法根据被控对象变化而进行在线整定，而结合随动控制的PID算法可以解决这类问题[6]。其核心在于随动控制规则库如何进行设计和自整定，控制算法流程图如图3所示。

图3 PID控制算法逻辑图Fig.3 Logic diagram of PID control algorithm

PID随动控制的具体逻辑如下：

设e(k)为k时刻的压力变送器采样误差值，则e(k-1)与e(k-2)分别为前一个时刻和前两个时刻的采样误差值，此处采样周期根据经验值设为10 s。

Δe(k)=e(k)-e(k-1)

(1)当|e(k)|>M1，表明压力传输的误差绝对值较大，此时应该通过增大(减小)输出来调整误差，采用PD控制；

(2)当M2<|e(k)|≤M1且e(k)Δe(k)>0表压力传感器误差在增大，应选用PID控制来改变性能指标，此时的Kp应设定为较大的参数值；

(3)当M2<|e(k)|≤M1且e(k)Δe(k)≤0表明误差在减小或者已达到平衡，此时若选用PID控制Kp应设定为较小的参数设定值；

(4)当|e(k)|≤M2，表明误差绝对值已经很小，此时应选用PI控制来减小PID系统的稳态误差。

3.2 PLC程序设计

PLC程序采用模块化编程方法，CPU选用西门子s7-300系列产品，编程语言采用标准化梯形图语言，采用模块化编程方法，提高程序的可读性和可移植性。

程序设计过程中主要考虑解决热网补水系统的手动及全自动切换，通讯数据的抗干扰处理，热网补水泵的启动/切换/停止的顺序及连锁设置问题，最终实现热网补水系统的恒压供水自动控制。下面是一些关键步骤的设计：

(1)模拟量信号输入抗干扰设计：西门子s7-300系列PLC提供了模拟量输入滤波器，模拟值在每次CPU扫描时自动读入，在程序中通过设置采样频率来确定计算单位时间内的模拟量平均值，采样频率设置高则采样结果稳定但运算响应时间较长，反之采样频率设置低则采样响应速度快但采样平均值结果存在不稳定性。当模拟输与计算平均值误差超过设定值，该采集的数据将被自动过滤。该系统中，经实际运行调整，将采样频率设定为128 Hz。

(2)热网补水泵的公变切换和恒压供水设计，以1#热网补水泵为例，主要控制步序如下：①系统启动1#热网补水泵至初始设定值(35 Hz)，启动方式为斜坡启动。②通过压力变送器测量热网补水主管路压力值并与设定压力值进行对比。③通过上述介绍的PID随动控制算法进行计算，得到1#热网补水泵变频器参数值反馈至变频器进行调节。④判断1#热网补水泵频率是否达到工频频率(50 Hz)，若未达到，程序执行完毕；若达到，启动2#热网补水泵重复执行1#热网补水泵步骤。

2#和3#热网补水泵运行方式与1#热网补水泵相同，具体控制逻辑如图4。

图4 1#热网补水公/变频运行逻辑图Fig.4 Logic diagram of 1# power supply/frequency conversion operation of heat supply network

4 工程应用情况

基于PID随动控制的热网恒压供水系统在内蒙临河某电厂软化水处理及锅炉补水装置中成功应用。

运行结果表明，采用PID随动控制方法后，热网补水管网运行压力保持在设定压力值的3%误差范围内，相对于操作工手动调节压力控制效果更优；即使在实际压力发生突变的状况下，系统也能在30 s以内完成压力值整定。图5为某2 d内同一时段分别采用手动和自动两种方式调节热网供水管路压力的压力曲线图。图5中可以发现采用自动调节方式运行压力较手动调节明显稳定。

图5 热网补水管路压力趋势对比图Fig.5 Comparison chart of pressure trend of water supply pipeline in heat supply network

5 结语

文章针对传统恒压供水系统响应速度慢、调节精度低等问题开发了一套基于PID随动控制的热网恒压供水系统，系统自动化程度高，供热管网运行压力稳定，降低了操作人员工作量和系统运行风险，提高了热网恒压供水系统智能化程度，对支撑热电厂提标改造和促进节能降耗发展具有指导意义。