PLC控制在供熱系統(tǒng)中的節(jié)能應(yīng)用探討

張侃

（神華國能天津大港發(fā)電廠有限公司，天津 300272）

在微電子技術(shù)和信息技術(shù)的快速發(fā)展下，PLC控制技術(shù)水平不斷提高，適用范圍更加廣泛。在PLC控制技術(shù)的應(yīng)用下，有效改變了傳統(tǒng)的粗放式工業(yè)生產(chǎn)模式，通過采取一定的編程算法，實(shí)現(xiàn)對電氣系統(tǒng)的自動(dòng)化控制，根據(jù)實(shí)際需要改變輸出，減少不必要的能耗，獲得了顯著成果。在供熱系統(tǒng)節(jié)能方面的應(yīng)用是PLC控制技術(shù)的一個(gè)重點(diǎn)應(yīng)用方向，但目前供熱系統(tǒng)的整體自動(dòng)化控制水平還較低，有必要加快相關(guān)研究，促進(jìn)研究成果向?qū)嶋H應(yīng)用成果的轉(zhuǎn)換。本文結(jié)合我公司的供熱設(shè)備，對PLC控制的供熱系統(tǒng)進(jìn)行了研究說明。

本文根據(jù)ERA-Interim 6小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)處理成的日值降水?dāng)?shù)據(jù)，從氣候態(tài)空間分布特征、變化趨勢和波動(dòng)特征出發(fā)分析總降雨量、對流型降雨量和大尺度降雨量的空間差異特征，得出如下主要結(jié)論：

1 PLC控制技術(shù)在供熱系統(tǒng)節(jié)能中的應(yīng)用基礎(chǔ)

PLC自動(dòng)化控制技術(shù)是在傳統(tǒng)的順序控制器基礎(chǔ)上，通過采用微電子技術(shù)、先進(jìn)的計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)，以及自動(dòng)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套完整的工業(yè)控制裝置，達(dá)到對電氣系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化控制的目的。目前PLC控制在工業(yè)中的應(yīng)用，已經(jīng)能夠取代傳統(tǒng)系統(tǒng)中的技術(shù)順序控制器、繼電器、計(jì)時(shí)器、執(zhí)行邏輯組件等功能，建立一套新型的軟件控制系統(tǒng)，具有更強(qiáng)的通用性、可靠性和抗干擾性。而且PLC控制的編程實(shí)現(xiàn)較為簡單，為其大范圍應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。PLC控制器的內(nèi)部運(yùn)行方式一般采取循環(huán)掃描方式，在大中型PLC控制器中，也會(huì)使用到中斷運(yùn)行方式。完成初始的程序編程和調(diào)試工作后，可以將編程器程序?qū)懭隤LC存儲(chǔ)器中，接受現(xiàn)場輸入信號(hào)，連接執(zhí)行元件，通過輸入端和輸出端的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)PLC自動(dòng)化控制。同時(shí)也支持控制模式的切換，可在特殊情況下進(jìn)行手動(dòng)控制。PLC硬件系統(tǒng)主要由微處理器、電源組件、輸入和輸出模塊、存儲(chǔ)器等部分組成。目前市場上的這些產(chǎn)品種類繁多，價(jià)格較低，為PLC控制技術(shù)在工人系統(tǒng)節(jié)能中的應(yīng)用提供了有利條件，可以有效降低供熱系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整過程中的成本投入。

2 供熱系統(tǒng)節(jié)能應(yīng)用中的供熱模式選擇

（1）現(xiàn)行供熱模式。傳統(tǒng)供熱換熱站的一次網(wǎng)系統(tǒng)主要由電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、壓力傳感器、電動(dòng)執(zhí)行器、流量傳感器和相關(guān)控制軟件組成。在其運(yùn)行過程中，需要根據(jù)實(shí)際的使用需求，對供熱溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般采用人工控制方法，將實(shí)際供水溫度需求與設(shè)定供水水溫進(jìn)行比較，如果不滿足供水溫度要求，則調(diào)整電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門，從而改變換熱器的一次側(cè)水流量，達(dá)到對水溫進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的。在一次側(cè)水流量改變后，二次側(cè)熱交換器的出口水溫可以達(dá)到設(shè)定值。要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，需要合理設(shè)計(jì)室外溫度、二次網(wǎng)供水溫度的關(guān)系計(jì)算公式，從而設(shè)計(jì)合理的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門調(diào)節(jié)算法，以確保用戶側(cè)的實(shí)際供應(yīng)水溫達(dá)到供暖要求。但是從傳統(tǒng)供熱模式的實(shí)際運(yùn)行情況來看，各換熱站和熱網(wǎng)之間由于不是并聯(lián)連接方式，在換熱站操作過程中，存在相互耦合作用。也就是說，在一個(gè)換熱站的閥門調(diào)節(jié)過程中，其他換熱站電動(dòng)閥門也會(huì)隨之動(dòng)作，由此會(huì)導(dǎo)致在各換熱站以及熱網(wǎng)中產(chǎn)生較長的時(shí)間振蕩。如果室外溫度變化較大，引發(fā)熱負(fù)荷的劇烈變化，熱源無法及時(shí)作出調(diào)整，這種振蕩現(xiàn)象甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。

（2）基于PLC技術(shù)的科學(xué)供熱模式。針對我公司目前PLC控制供熱系統(tǒng)存在的不完善之處，可以在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入新型PLC控制技術(shù)，構(gòu)建新的供暖模式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制目標(biāo)。一般情況下，環(huán)境平均氣溫不會(huì)出現(xiàn)劇烈變化，對于氣溫升降差異不大的情況，供熱過程可以用周期函數(shù)進(jìn)行表示，即Qt=Q（t-NT），其中，Qt表示氣溫變化不大時(shí)相鄰幾日的供熱周期函數(shù)，t表示時(shí)間變量，T表示周期天數(shù)，N表示周期數(shù)。在一個(gè)取暖季內(nèi)，整個(gè)供暖周期可以看做是由多個(gè)穩(wěn)定的天氣變化區(qū)間和若干個(gè)突發(fā)寒暖流區(qū)間所組成?？稍诂F(xiàn)有系統(tǒng)中，通過采用溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)溫度參數(shù)的自動(dòng)采集，由環(huán)境氣溫的變化情況確定的供熱量函數(shù)，可采用下述計(jì)算式進(jìn)行計(jì)算：Qt=Qt0=（tn-t0）/（tntw）×q×s。其中，t0是1天內(nèi)實(shí)測環(huán)境溫度，單位為℃，tn是設(shè)計(jì)的室內(nèi)供熱溫度，單位為℃，tw為設(shè)計(jì)的計(jì)算溫度，q為熱指標(biāo)，s為供熱面積。在這種供熱方式下，利用PLC控制技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，可以有效解決上述問題。

3 PLC控制技術(shù)在供熱系統(tǒng)節(jié)能中的具體應(yīng)用方案

周博士：話雖如此，不過要求中小學(xué)教師發(fā)表論文，也是為了提高教師的研究能力、讓教師能夠更好地勝任高一級(jí)職稱的工作??！

（1）基于PLC控制技術(shù)的供熱模式調(diào)整思路。傳統(tǒng)供熱模式的主要缺點(diǎn)是無法對溫度變化及實(shí)際供暖需求做出快速響應(yīng)，采用基于PLC控制技術(shù)的供熱模式，則能夠解決這一問題。但是從實(shí)際的供熱情況來看，許多供熱部門的供熱模式運(yùn)行原理與上述提到的科學(xué)供熱模式正好相反。主要是利用每天夜間最低氣溫時(shí)的供熱量需求作為供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，看似平穩(wěn)的供熱模式，會(huì)因連續(xù)溫差變化引發(fā)失控問題，而且不分晝夜進(jìn)行“漫灌”，也會(huì)造成大量的能源浪費(fèi)。一般情況下，每天的最高氣溫和最低氣溫之間都會(huì)出現(xiàn)10℃左右的溫差變化，而供熱輸出始終保持最大輸出量，則會(huì)浪費(fèi)大量能源，在熱網(wǎng)不平衡下，如果要進(jìn)行熱源升溫，產(chǎn)生的能源浪費(fèi)問題則會(huì)更加嚴(yán)重。因此，必須改變這種供熱思路，關(guān)注于供熱需求的實(shí)際變化。特別是在目前實(shí)施的熱電聯(lián)產(chǎn)模式下，必須加快對傳統(tǒng)供熱模式的調(diào)整。在此方面，引進(jìn)新型PLC控制技術(shù)，充分發(fā)揮其自動(dòng)化調(diào)節(jié)和控制功能，可以為供熱模式的轉(zhuǎn)變提供技術(shù)保障。

（2）利用PID參數(shù)實(shí)現(xiàn)模糊控制。通過對供熱系統(tǒng)運(yùn)行模式中的一次網(wǎng)供熱機(jī)制進(jìn)行分析可知，在一次網(wǎng)供熱中心的熱源供水過程中，換熱站的主要功能是通過熱交換，將熱量送到用戶側(cè)，滿足其采暖需求。在一個(gè)供熱區(qū)域內(nèi)，采用PLC控制技術(shù)，對供熱系統(tǒng)運(yùn)行模式進(jìn)行調(diào)節(jié)的實(shí)際執(zhí)行裝置是變頻器和調(diào)節(jié)閥，其供熱效果則主要受控制精度的影響。為了充分滿足在天氣變化情況下的供熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)響應(yīng)速度要求，可采用PID參數(shù)對PLC控制器進(jìn)行模糊處理，通過將PID參數(shù)代入到模糊域，使用模糊控制算法，滿足供熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)的實(shí)際需求。其核心控制語句采取“if then”形式，根據(jù)每一步的調(diào)節(jié)需要，設(shè)置參數(shù)指令值。在控制方案設(shè)計(jì)過程中，需要對4個(gè)控制變量設(shè)計(jì)3個(gè)子集，以實(shí)現(xiàn)對誤差的測量，并將變量控制在設(shè)定值附近。這3個(gè)誤差子集分別為小負(fù)（NS）、小正（PS）和零（ZE）集。此外，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，還為輸出變量設(shè)定了5個(gè)子集，以適應(yīng)4個(gè)控制變量的不同組合形式。這5個(gè)描述控制變量變化的子集除了上述3個(gè)子集外，還包括中負(fù)（NM）和中正（PM）集。通過在PLC控制編程中設(shè)計(jì)這些子集，可以實(shí)現(xiàn)對調(diào)節(jié)快慢參數(shù)的更改，從而實(shí)現(xiàn)模糊控制功能。在PID變參數(shù)調(diào)節(jié)運(yùn)行方式下，控制器輸出效率和熱量均衡性均能夠達(dá)到較高的水平，從而充分滿足供熱系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際需要。

第二，在充分利用自然的過程中，盡量克服盲目性。在開發(fā)利用自然資源的過程中，要采用科學(xué)的手段和方法，正確看待人與自然之間的和諧關(guān)系，避免形而上學(xué)，破壞人與自然之間的良好關(guān)系，實(shí)現(xiàn)人與自然之間的和諧持續(xù)性。當(dāng)然，在建設(shè)新事物的同時(shí)，必然伴隨有各種各樣的問題，人們無法阻止問題的發(fā)生，但是有能力及時(shí)解決問題，防止惡性事態(tài)的發(fā)展擴(kuò)大，即使有環(huán)境破壞的問題出現(xiàn)，也必將之扼制。馬克思曾經(jīng)預(yù)言：生態(tài)文明化必然成為人類社會(huì)未來發(fā)展的一個(gè)基本方向。馬克思指出：“在工業(yè)中向來就有那個(gè)很著名的‘人和自然的統(tǒng)一’，而且這種統(tǒng)一在每一個(gè)時(shí)代都隨著工業(yè)或慢或快地發(fā)展而不斷改變?！?/p>

（3）根據(jù)實(shí)際熱量需求，調(diào)節(jié)供熱輸出。從上述分析可見，PLC控制技術(shù)在供暖系統(tǒng)運(yùn)行過程中的應(yīng)用，可以對環(huán)境變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，依靠傳感器和網(wǎng)絡(luò)通信功能，做到對實(shí)際供暖需求的及時(shí)掌握。在此基礎(chǔ)上，通過采用模糊控制算法，實(shí)現(xiàn)供熱量的按需輸出，從而減少在供暖系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的不必要的能源浪費(fèi)問題。我國是一個(gè)能源大國，但是人均能源占有量明顯低于世界人均水平。供暖季的能源消耗十分巨大，在一定程度上加劇了不可再生能源的消耗。因此，采用PLC控制技術(shù)對供暖系統(tǒng)運(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)十分必要，在其根據(jù)實(shí)際熱量需求的調(diào)節(jié)模式下，每天可以節(jié)省的能源數(shù)量就十分可觀，整個(gè)供暖季能夠節(jié)省的能源十分巨大。因此，PLC控制技術(shù)在供暖系統(tǒng)運(yùn)行中的應(yīng)用，不僅可以幫助供暖部門節(jié)省供暖成本，還能夠?qū)崿F(xiàn)較高的社會(huì)效益。應(yīng)積極促進(jìn)PLC控制技術(shù)在供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用和推廣，關(guān)注PLC技術(shù)的發(fā)展。目前PLC控制器正在向小型化和智能化的方向發(fā)展，技術(shù)提升的潛力較大，通過不斷更新PLC控制設(shè)備，采取先進(jìn)的控制算法，可以最大化發(fā)揮PLC自動(dòng)化控制技術(shù)的作用，徹底改變以往供熱系統(tǒng)能耗較高的狀況，為供熱穩(wěn)定性和供熱質(zhì)量提供保障。

4 結(jié)語

綜上所述，PLC控制技術(shù)在供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用，對于提升供熱系統(tǒng)的節(jié)能性有重要幫助。通過對PLC技術(shù)在供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用原理和具體運(yùn)行方式進(jìn)行分析，可以明確其技術(shù)應(yīng)用的方向，促進(jìn)基于PLC控制的科學(xué)供熱模式的應(yīng)用推廣。我公司在未來幾年的供熱中，可以參考新型PLC控制技術(shù)，對設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，有效解決傳統(tǒng)運(yùn)行模式中供熱調(diào)節(jié)響應(yīng)速度慢等問題，實(shí)現(xiàn)按需供應(yīng)，提高用戶的滿意度。