大准铁路公司综合服务段承担着大准铁路和准池铁路沿线48个站点的后勤供暖服务工作，供暖面积约30万平方米。供暖设备设施分布点多线长，地处偏远县、乡，司炉任务工作量大，人员、车辆配置要求高。供暖期间，运行维护繁杂，难度较大，锅炉设备安全稳定运行无法可靠保证。同时，既有燃煤锅炉运行排放的二氧化硫、烟尘等造成环境污染，加之供暖不能随着室外温度自动调节，运行能耗较大，不满足当前节能降耗、环境保护的要求。随着当今设备自动化控制技术发展，使铁路沿线利用电热锅炉自动控制技术实现科学供暖、可靠供暖成为可能。本文就针对铁路沿线电热锅炉供暖实现自动控制进行设计，以电热锅炉自动控制需求研究为基础，重点就锅炉温度自动控制，水位自动控制、水泵及加热管投切自动控制，分时段控制，设备运行状态监视、设备故障报警等方面进行设计阐述，从而构建电热锅炉供暖自动化体系，使供暖服务智能化、科学化。
1 铁路沿线电热锅炉自动控制需求分析
1.1 锅炉出回水温度控制
利用热水采暖锅炉在我国采暖设计沿用的规定：供水温度95℃，回水温度70℃，温差为25℃。但近年来，根据国内外供热的先进经验，供回水温度及温差有下降趋势，设计供回水温度有取90/70或80/60℃，温差20℃。考虑到铁路沿线供暖系统负荷以及电能转换，将出回水温度界定在80/60℃。锅炉出回水的良好控制需要制定温度范围与加热设备联动控制，至少根据实际情况设置“停炉温度”“出水温度”“使用温度”“回水温度”等4个温度界限。同时，要根据负荷情况考虑加热装置（电加热管等）的分组布置，从而满足锅炉出回水温度的动态控制要求。
1.2 锅炉运行定时控制
在保证房屋室内温度满足要求的情况下，根据房间内人员活动分为白天和夜间，根据用电高峰情况，分为上午、中午、下午、晚间。结合铁路沿线人员居住作业情况，一般上午、下午大多房间人员外出作业，房间温度可适当降低，可以将平均室温降至14℃左右，从而实现低温供暖运行，节约能耗。
1.3 水泵及加热组控制
铁路沿线供暖系统均为水循环系统且依靠机械式循环完成热量传递。循环水泵经济高效运行决定供暖服务效率和质量。循环水泵要在出回水温度介于合理范围内进行启停，尽可能减少启停次数。补水泵也是供暖系统自动运行不可或缺的部分。当炉内水位降低时，要及时检测报警，并打开电磁阀门进行补水，当水位达到正常水平时，立即停泵。
加热组要根据循环水温度、自动补水后的温度自动投切加热装置，以满足系统温度要求。
1.4 系统状态监视就地控制及数据记录输出
（1）系统要具有简洁、丰富的显示功能，可将采集到的温度、水位以及泵、电加热组的工作状态准确直地显示出来，从而方便锅炉巡视人员掌握锅炉运行状态和技术参数。同时，要求系统采用动画、图形动态反映系统的运行，对各种数据和参数做出动态分析，生成动态运行曲线显示在屏幕上。
（2）系统能够很方便地产生各类报表，查询以及维护数据库。配备打印机，专门用来打印锅炉在运行中产生的实时数据记录、历史数据记录和故障报表。打印可以及时打印和定时打印。
（3）系统设置二级密码保护功能，有用户操作级、管理级；开/关机、参数设置、手动操作，需输入密码，只有经验证密码后，才有权进入相应的功能模块。
1.5 系统自动报警控制
铁路沿线电热锅炉自动控制程度高，不需要消耗大量人力、物力，仅需要日常巡查。但一旦发生故障事故，不宜及时发现。为避免故障事故发生应急处置不及时，宜配套电热锅炉系统自动检测报警装置，不间断地对炉水温度传感器、回水温度传感器、水位电极以及自身电路进行检测，发现故障立即报警并停炉保护，
当系统设备出现故障报警时，系统自动停炉，如不排除故障，无法进行手动操作，从而防止误操作发生。发生故障时，自动控制系统能自动识别故障，并以文字将报警信息显示在触摸屏上，同时发出声光报警，保护锅炉及附属设备安全（如锅炉出口温度传感器故障、锅炉出口温度高报警、锅炉水位高报警）。
2 系统总体构架设计与控制方案
2.1 系统的整体架构
2.1.1 控制层次
根据自动控制设计原则和铁路沿线电热锅炉自动控制需求分析，将控制层次共设为三层。
第一层：一次仪表层。主要是现场传感器、温度、液位等。一次仪表采用著名品牌，保证锅炉各项工况参数实时精确检测。
第二层：现场控制层（PLC+触摸屏）。锅炉现场控制柜直接控制各锅炉及辅机的运行。及时采集数据，系统单元之间相互联系，又都具有相对的独立性。下位机（PLC控制柜）可以脱开上位机，进行独立操作运行。
第三层：操作员站兼工程师站。完成系统的整体管理及监控，是系统的核心。对外与工作人员交换信息，对内完成监控及管理任务。按照“指令”和“数据”适时管理及控制锅炉运行。
2.1.2 该自动控制系统特点
（1）该控制系统是根据锅炉操作规程及控制要求设计的，具有对锅炉进行全自动控制及故障保护等功能。
（2）该控制系统以西门子S7-200 PLC作为信息处理和中央控制单元，7寸触摸屏作为监控平台，同时嵌入本公司精心设计的工业控制软件和控制外围的工艺结构，实现整个锅炉的控制。
（3）该系统软件不仅实现了锅炉的手/自动控制、工况监控、历史数据记录、实时趋势等一般的图文显示及监控要求，还增加针对近几年锅炉事故进行仔细分析和研究的成果，具备了丰富的故障检测、故障报警、故障处理等功能，最大限度的保证了锅炉的安全可靠运行。
（4）具有中文界面，操作方便，控制可靠性高，功能强大。
2.2 锅炉出回水温度控制设计
2.2.1 出水温度控制
控制器界面设置“控制选择”键，可依次选择“炉水温控”“回水温控”“定时控制”“压力控制”等四种控制方式。当“炉水温控”灯亮即选中本控制方式。
（1）参数设定。按“设定”键，键上指示灯亮，指示进入参数设定状态，同时参数指示灯亮，数码显示窗显示此参数的数值。此时按“＋”或“一”键可对所选择参数进行修改。如需调整的数值较大可按住“+”或“-”键不放，数据即会快速增减，直至按键被松开或参数达到极限值。
在设定状态下，按“设定”键可选择下一参数，当在最后一个参数时按“设定”键，键上指示熄灭，指示退出参数设定状态，同时本次设置的参数被保存。如不想保存本次设定的参数，可中途按“停止”键退出设定状态。
1）停炉温度：当锅炉水温达到此数值时，控制器即关闭全部加热组。取值范围：10℃～100℃。
2）使用温度：控制器以此数值作为锅炉水温的控制目标。此数据应至少比“停炉温度”低5℃。取值范围：5℃～95℃。
3）出水温度：当锅炉水温达到此数值时，控制器开启泵2（热水泵或循环泵）。如将泵2作为循环泵使用时应将“出水温度”设到最小。取值范围：5℃～100℃。
4）现在时间：设置当前时间，使用24小时制。
（2）运行。按“运行”键，键上指灯亮，指示控制器处于运行状态。按“停止”键可退出运行状态。在此方式下，如炉水温度传感器短路，按“运行”键，控制器将不予响应。
1）电加热组控制。各加热组不同时进行动作，动作间隔为4秒，加热组的投切循环进行。当炉水温度达到“停炉温度”或比“使用温度”高10℃时，控制器逐个关闭全部加热组。当炉水温度比“使用温度”低10℃以上时，控制器逐个投入全部加热组。当炉水温度与“使用温度”的差值小于10℃时，控制器按下述规则每4分钟进行1次功率调整。当炉水温度比“使用温度”低2℃时，控制器投入加热组；当炉水温度比“使用温度”高2℃时，控制器切断加热组；当炉水温度与“使用温度”的差值不大于2℃时，控制器保持加热组不变。
2）泵2（热水泵/循环泵）控制。泵2处于自动状态时，当锅炉水温达到“出水温度”时控制器开启泵2。泵2开启后，如炉水温度下降至比“出水温度”低3℃时控制器关闭泵2。
2.2.2 回水温度控制
（1）参数设定。回水控温：控制器将使回水（循环水）温度稳定在此数值附近。主要用于供暖系统。取值范围：5℃～85℃。现在时间：设置当前时间。使用24小时制。
（2）运行。在此方式下如回水温度传感器短路，按“运行”键，控制器不予响应。
1）电加热组控制。各加热组不同时进行动作，动作间隔为4秒。加热组的投切循环进行。当炉水温度达到95℃或回水温度比“回水温度”设定值高10℃时，控制器逐个关闭全部加热组。当回水温度比“回水温度”低10℃以上时，控制器逐个投入全部加热组。当回水温度与“回水温度”设定值的差值小于10℃时，控制器按下述规则每4分钟进行一次功率调整。当回水温度比“回水温度”设定值低2℃时，控制器投入加热组；当回水温度比“回水温度”设定值高2℃时，控制器切下加热组；当回水温度与“回水温度”设定值的差值不大于2℃时，控制器保持加热组不变。
2）泵2（循环泵）控制：泵2处于自动状态时，在运行期间始终处于工作状态。
2.3 定时控制设计
2.3.1 参数设定
（1）运行时段。按“设定”键，键上指示灯亮，指示进入参数设定状态，同时“启动时间”灯亮数码显示窗左侧显示第一个时段的启动时间值，最右侧一位显示“1”，表示第一个时段。此时按“+”“-”键可对此参数进行修改。再次按“设定”键，“停止时间”灯亮，可对第一个时段的停止时间进行设置。其余时段的设置可依此类推，一共可设置4个时段。
时间设置范围为0:00～23:59。时段设置必须依照0:00～23:59的次序，不允许倒错、重叠。例如，将第一时段的“启动时间”设为“8:00”，则其后的所有停启时间均不能小于“8:00”。控制器根据此限制自动对定时参数进行检查、修正。
时段的启停时间可以相同，此时时段的长度为零，是无效时段。可以通过设置相同的启停时间关掉多余不用的时段。
（2）现在时间。设置当前时间。使用24小时制。在定时控制方式下必须先将时间校正，在运行时控制器将根据此时间按设定要求控制锅炉自动定时启停。
2.3.2 运行
如“现在时间”处于非工作时段，“停止时间”灯亮，控制器不启动工作；如“现在时间”处于工作时段，“启动时间”灯亮，控制器进入启动状态。在启动状态下，控制器按“炉水温控”方式及其参数工作。
只要不退出运行状态，控制器可按设定时段以天为单位一直循环工作下去。
2.4 水泵和加热组控制
控制器可根据来自液位传感器的信号自动控制锅炉水位、热水箱水位，也可手动操作泵的启停。处于手动状态时“手动”灯亮，可按“手动启停”键操作泵。处于自动状态时“手动”灯熄灭，控制器自动控制液位，当液位处于低位（开泵位）时启动泵，直至液位升至高位（停泵位）控制器关闭泵。
可使用“设备选择”“自动/手动”“主备切换”“手动启停”四键设定各泵的工作状态。
按“设备选择”键，键上指示灯亮，同时“泵1”灯亮，指示进入泵1状态设定状态，此时可按“自动/手动”“手动启停”“主备切换”三键改变泵1的状态。再次按“设备选择”键，“泵2”灯亮，进入泵2状态设定状态；再按“设备选择”键，“电热”灯亮，进入加热组手动状态；再按“设备选择”键，键上指示灯熄灭，指示退出泵状态设定状态。
当锅炉发生故障时应及时排除故障。当确定可以进水时可按“手动启停”键开启泵1（给水泵），此时必须按住“手动启停”健并保持10秒左右，泵1才能启动，只要松开按键泵1立即停止工作。
如不处于运行或报警状态，电加热组的状态也可手动控制。按“设备选择”键至“泵2”灯亮时再按“设备选择”键“电热”灯亮，同时代表1号加热组的灯“1”字闪烁，此时按“手动启停”键可控制其动作，按“主备切换”键可选择下一加热组，未选择的加热组不工作。
2.5 状态显示设计
具有丰富的显示功能，可将采集到的温度、水位以及泵、电加热组的工作状态准确直观地显示出来。
2.5.1 水位1（锅炉水位或进水箱水位）模拟显示
当水位低于“缺水”电极时，“最低”（红）灯闪烁，控制器报警并停炉保护。
当水位低于“低位”电极时，“低”（黄）灯亮，指示低水位。
当水位达到“低位”电极时，“正常”（绿）灯亮，指示水位正常。
当水位高于“高位”电极时，“高”（黄）灯亮，指示高水位。
2.5.2 水位2（热水箱水位）模拟显示
当水位低于“低位”电极时，“低”（黄）灯亮，指示低水位。
当水位达到“低位”电极时，“正常”（绿）灯亮，指示水位正常。
当水位高于“高位”电极时，“高”（黄）灯亮，指示高水位。
2.5.3 泵状态显示
当泵工作时，相应的运行灯（绿色旋转箭头）亮，当泵处于手动状态时，手动灯（红色手形）亮。当选择主泵工作时，其“主”灯（绿色“主”字）亮。当选择备用泵工作时，其“备”灯（红色“备”字）亮。
2.5.4 电加热组状态显示
投入的电加热组，其对应的数字点亮；否则熄灭。
2.5.5 现在时间显示
平时或运行时按“-”键，“现在时间”灯闪烁，数码显示窗显示当前时间，数秒后控制器自动恢复原显示。
2.5.6 设定参数显示
运行时按“设定”键，参数指示灯闪烁，数码显示窗显示此参数的数值。再按“设定”键可调看下一个参数，数秒后控制器自动恢复原显示。
2.6 报警保护控制设计
控制器打开后即不间断地对炉水温度传感器、回水温度传感器、水位电极以及自身电路进行检测，发现故障立即报警并停炉保护。当控制器报警时数码显示故障代码，机内蜂鸣器发出报警声。按“-”键消除或打开报警声。控制器检测到故障后进入报警保护状态，此后即使故障信号消失，控制器也不退出报警，只有按“复位”或关机重开才能撤消报警。
3 铁路沿线电热供暖锅炉自动控制系统预计产生效果
（1）铁路沿线电热供暖锅炉自动控制系统后将大大减少人力投入，将现有司炉人员减少一半以上，只需要配备巡检人员即可，同时降低了设备故障率。
（2）电热锅炉供暖系统分时段供暖，根据室外温度的变化，自动调节供水温度，从而最大程度的节约了能耗，每年节约煤炭100万元左右，并且提高了供热的服务质量。
（3）铁路沿线电热供暖锅炉自动控制系统实现远程控制，与现场数据保持同步，管理直观高效。
4 结语
通过以上针对铁路沿线电热锅炉供暖自动控制进行设计，从锅炉温度、水位、水泵及加热管投切自动控制，分时段控制，设备运行状态监视、设备故障报警等方面详细的自控设计，从而为今后全段推广构建电热锅炉供暖自动化体系提供技术依据和参考。
参考文献
[1]冯镇昌.智能型电热锅炉控制器的设计[J]．民营科技，2012，9（5）．
[2]赵素娜，田海丽，李世晓．基于PLC的电热锅炉温度控制系统设计[J]．信息技术，2012，（7）．
收稿日期：2017-08-11
作者简介：杨勇（1979-），男，内蒙古清水河人，神华准格尔能源有限责任公司大准铁路公司综合服务段工程师，研究方向：生产技术管理。
