一種供暖節(jié)能管理系統(tǒng)的設計與研究

郝曉龍

摘要：該文進行了基于可編程邏輯控制技術和變頻調(diào)速技術的供暖節(jié)能控制管理系統(tǒng)的研究與設計。利用該系統(tǒng)可提高鍋爐的運行效率和燃料的燃燒的效果，不僅降低了操作人員的工作強度，更能提高供暖系統(tǒng)的自動化程度，從而提高了工作效率。該系統(tǒng)安全可靠，操作簡單易行，界面友好，具有很好的推廣價值。

關鍵詞：供暖；節(jié)能；管理系統(tǒng)

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）03-0226-02

佳木斯大學供暖期一直采用自有鍋爐系統(tǒng)供暖，因鍋爐及相關設備陳舊，耗煤量大，生產(chǎn)效率低，環(huán)境污染程度較高。而且，采用自有鍋爐供暖，沒有進行自動化控制，對外界環(huán)境因素考慮得不及時。當環(huán)境溫度升高時，供暖強度沒能夠及時降低，而當室外環(huán)境的溫度降低下降的時候，供暖系統(tǒng)又不一定能夠及時地加強供暖，提高到適當?shù)臏囟?。另外，校園面積大，分布廣，而且教學樓、辦公樓、寢室樓的人員分布不一，但供暖強度卻都是一樣的。這些因素都導致了學校雖然花費大量人力、物力，下大力氣進行供暖系統(tǒng)的檢查、監(jiān)督和管理工作，但卻沒達到預想的效果。因此，為了提高鍋爐的運行效率和燃料的燃燒的效果，提高工作效率，節(jié)約資金和能源，更好地服務為全校師生，必須開發(fā)出一套適合佳木斯大學具體情況的供暖節(jié)能系統(tǒng)，并對相關的設備進行全面地升級和改造。

1 供暖系統(tǒng)中的可編程邏輯控制技術

一般北方的供暖系統(tǒng)是都是由供熱源、供熱輸送管道和散熱設備等幾部分組成的。在這種供暖系統(tǒng)中，編程邏輯控制器主要應用于整個工作過程的三個階段中：輸入數(shù)據(jù)采樣階段、程序的執(zhí)行階段和輸出刷新階，這三個工作階段構成了一個數(shù)據(jù)的掃描周期。

可編程邏輯控制器以掃描的方式，依次地讀入所有輸入的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并進行存儲。然后就進行到程序的執(zhí)行階段，再然后才是輸出刷新階段。當進入了程序的執(zhí)行階段和輸出刷新階段后，映象區(qū)中的數(shù)據(jù)就不再發(fā)生變化。即使這個時刻，在執(zhí)行的過程中，輸入的狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，映象區(qū)中的相應單元數(shù)據(jù)也不會隨之發(fā)生改變，始終保持掃描時讀入的數(shù)據(jù)[1]。

在供暖系統(tǒng)中，利用可編程邏輯控制器，再配合使用各種不同功能的傳感器，就可以將管道中所受的壓力的數(shù)據(jù)，通過傳感器采集出來，利用系統(tǒng)對這些數(shù)據(jù)進行分析處理后，再通過變頻器，實時地對泵的轉速進行調(diào)整控制，便可以使管道中的壓力及時地得到調(diào)整，以保持在適合的范圍之內(nèi)。另外，系統(tǒng)中還配有相應的電流超負載、電壓超負荷以及斷水等相關的保護裝置，并配有備用裝置，一用一備，避免意外發(fā)生。

本系統(tǒng)采用兩臺系列可編程控制器進行程序的開發(fā)與控制。利用計算機系統(tǒng)進行鍋爐運行參數(shù)的實時控制，就可使鍋爐保持在最佳的工作狀態(tài)。一直實時地調(diào)整數(shù)據(jù)，保持最佳狀態(tài)運行，才可以提高鍋爐運行時的的效率，發(fā)揮燃料燃燒的最佳效果。不僅會節(jié)約能源，還能達到環(huán)保的效果。

通過利用計算機控制系統(tǒng)進行控制和管理，這樣，操作人員在控制室就可以全面、實時、精確地掌握供暖系統(tǒng)中各硬件部分的運行狀況。不僅降低了操作人員的工作強度，更能提高供暖系統(tǒng)的自動化程度，從而提高了工作效率。

2 供暖系統(tǒng)中控制系統(tǒng)的功能設計

圖1 系統(tǒng)主程序模塊圖

供暖系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)由鍋爐系統(tǒng)控制模塊、系統(tǒng)運行控制模塊、模擬量采集控制模塊、循環(huán)泵系統(tǒng)控制模塊、通信處理模塊等五大功能模塊組成，如圖1系統(tǒng)主程序模塊圖所示。

1）鍋爐系統(tǒng)控制模塊：可進行鍋爐系統(tǒng)的控制，實時地進行數(shù)據(jù)分析以及時調(diào)整鼓風機、引風機和爐排電機等的變頻器頻率；

2）鍋爐運行控制模塊：不僅可以進行鍋爐燃燒系統(tǒng)啟動、停止的控制，還可以完成鍋爐補水系統(tǒng)以及循環(huán)系統(tǒng)中的電機的啟動和停止的控制功能；

3）模擬量采集控制模塊：完成對所有的模擬量進行采集，并進行相應的轉換，變成所需的浮點數(shù)；

4）循環(huán)泵控制模塊：該模塊可進行循環(huán)泵系統(tǒng)中的所有電機的啟動和停止的控制，以及各項相關參數(shù)的設定。

5）通訊處理模塊：主要負責編程邏輯控制器與變頻器的通信功能?？蓪ψ冾l器頻率數(shù)據(jù)進行初始的設定，還可以完成變頻器的頻率數(shù)據(jù)進行采集的功能，以及變頻器的電壓、電流、功率等參數(shù)的采集。

2.1 鍋爐系統(tǒng)控制模塊詳細設計

鍋爐系統(tǒng)控制模塊主要完成的是鍋爐系統(tǒng)的控制功能，可以確定鼓風機、引風機和爐排電機的變頻器頻率。當設定了水的溫度和爐膛負壓數(shù)據(jù)的臨界值以后，再經(jīng)過PID控制器的運算，確定出目前運行時的溫度和爐膛負壓值，系統(tǒng)可實時地對傳遞函數(shù)的數(shù)據(jù)進行修正，快速的跟蹤系統(tǒng)數(shù)據(jù)的變化，從而精確地確定電機的轉速。設計流程圖如圖2鍋爐系統(tǒng)控制模塊流程圖所示：

圖2 循環(huán)泵控制模塊流程圖

2.2 循環(huán)泵控制模塊詳細設計

循環(huán)泵控制模塊的主要功能就是進行循環(huán)泵系統(tǒng)中的各項系數(shù)進行實時的控制。首先，進行變頻器頻率的設定，根據(jù)設定的數(shù)據(jù)確定循環(huán)泵系統(tǒng)中水泵電機的啟動或停止，還可實現(xiàn)對出水壓力值的控制等控制功能。該系統(tǒng)，可根據(jù)出水的壓力值的設定，確定是否啟動循環(huán)泵。當啟動循環(huán)泵以后，進行變頻器頻率的調(diào)節(jié)，通過PID控制器對壓力進行偏差調(diào)節(jié)，使水壓力在符合要求的范圍內(nèi)，達到出水壓力的穩(wěn)定。本系統(tǒng)中循環(huán)泵控制模塊的設計流程圖如圖3循環(huán)泵控制模塊流程圖所示：

圖3 循環(huán)泵控制模塊流程圖

3 變頻調(diào)速技術

傳統(tǒng)的供暖系統(tǒng)中，一些風機、各種泵類設備，大多數(shù)采用的都是異步電動機直接驅動的工作方式。采用用這種運行方式啟動設備的時候，瞬間電流較大、還將會產(chǎn)生機械的沖擊。另外，這種方式還存在著電氣保護特性差等諸多缺點。這些缺點導致了設備的使用壽命降低，當負載出現(xiàn)了機械故障的時候，傳統(tǒng)的運行方式不能產(chǎn)生實時的響應動作，及時地進行設備保護，將經(jīng)常造成泵類設備的損壞，電機也隨之燒毀[2]。

而采變頻調(diào)速技術，用變頻器的原理，把原本電壓、頻率固定的交流電進行變換，將其轉換成電壓、頻率都可以調(diào)節(jié)的交流電。這樣，通過電機工作電源頻率的改變，就可達到改變電機轉速的目的。這種電機的軟啟動，避免了傳統(tǒng)電機工作方式帶來的危害，新的變頻技術不僅解決電機啟動瞬間電流過大的問題，還可以減小電機啟動時的噪聲，另外還可保護電機，避免頻繁啟動對電機產(chǎn)生的沖擊。這些優(yōu)點都具有有效地保護設備，延長設備的使用壽命的作用[3]。

本系統(tǒng)采用70KW、35KW的變頻器各一臺。其中，大功率變頻器用來控制引風機，而 35KW的變頻器用來控制鼓風機。采用變頻調(diào)速技術實現(xiàn)了本系統(tǒng)中電機的無級調(diào)速提高了工作效率，延長了設備的使用壽命。

4 結束語

供暖是北方高校每年冬季都要面臨的問題，引入這套基于可編程邏輯控制器和變頻調(diào)速技術的供暖鍋爐控制系統(tǒng)可有效減少學校用于供暖經(jīng)費的支出，為學校減輕負擔。本文通過理論論證，又結合佳木斯大學實際情況研究出的這套供暖管理系統(tǒng)，通過變頻器控制電動機的啟動運行，達到了減少燃料消耗，降低供暖運行成本的目標。采用計算機控制和變頻控制的鍋爐系統(tǒng)還大大提高了生產(chǎn)自動化水平，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。經(jīng)過驗證，該系統(tǒng)安全可靠，運行起來操作簡單。為今后其他單位實施供暖系統(tǒng)改造與供暖管理方面提供參照依據(jù)。

參考文獻：

[1] 金沙，耿驚濤.PLC應用技術[M]北京：中國電力出版社，2010.

[2] 都洋.供暖鍋爐變頻控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D]. 大連：大連理工大學，2006.

[3] 熊建國.基于PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學，2013.