基于PLC控制技術(shù)的換熱站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 煒，余延磊

（吉林工程技術(shù)師范學(xué)院 電氣工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130052）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代化生活設(shè)備得到很大的改善，換熱站也經(jīng)歷著一次又一次的技術(shù)升級(jí)，供暖功能不斷完善，為人民提供更好的基礎(chǔ)生活保障。但目前換熱站依然存在眾多問題。例如，當(dāng)前供暖系統(tǒng)的管理工作還存在較大缺陷，主要依靠傳統(tǒng)落后的人力進(jìn)行管理，而目前大多數(shù)人員的節(jié)能降耗意識(shí)較差，容易忽略甚至缺少節(jié)能環(huán)節(jié)，在一定程度上增加了不必要的資源浪費(fèi)。采用人力進(jìn)行管理，每2 ～3 天就需要對(duì)換熱站設(shè)備進(jìn)行一次維護(hù)檢查，需要大量的人力資源，所以現(xiàn)代換熱站不但浪費(fèi)人力資源，還使供暖系統(tǒng)的工作效率得不到顯著提高[1]。

針對(duì)以上問題，提出建造智能自動(dòng)供暖系統(tǒng)的方案。本系統(tǒng)以PLC 為控制核心，加以變頻器對(duì)電機(jī)的變速控制，依據(jù)換熱站現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)信息、換熱站內(nèi)外溫度乃至天氣情況等因素自動(dòng)完成對(duì)室內(nèi)溫度的調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)供暖無人化、智能化，能夠有效解決之前出現(xiàn)的人力資源和能源的浪費(fèi)，保證了換熱站快速安全的運(yùn)行，極大提高供暖系統(tǒng)的工作效率。

1 換熱站結(jié)構(gòu)及原理

1.1 換熱站工作原理及改進(jìn)方法

圖1 改造后換熱站的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of heat exchange station after transformation

圖2 分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)方式的控制原理圖Fig.2 Control schematic diagram of quality control mode of changing flow in stages

圖3 利用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)水定壓的結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of water supply and constant pressure by using frequency conversion speed regulation technology

供暖系統(tǒng)分為一次網(wǎng)絡(luò)和二次網(wǎng)絡(luò)，換熱站就是兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中間樞紐。其工作原理為：換熱站接收來自火電廠等熱源輸送過來的熱水，將熱水與循環(huán)水混合后，再次通過網(wǎng)管輸送給用戶，這樣熱能就被傳遞到了用戶處。由于熱能在輸送和用戶處會(huì)不斷消耗，所以要不定時(shí)利用循環(huán)水泵將用戶處熱水送回?fù)Q熱站，換熱站中的換熱器再次將其加熱循環(huán)使用。因此，換熱站就是利用供水和回水之間的溫差達(dá)到給用戶供暖的目的。這個(gè)過程基本憑借工作人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，具有較強(qiáng)的主觀因素，容易增大能耗的浪費(fèi)。

現(xiàn)對(duì)換熱站進(jìn)一步改造升級(jí)，主要是在其結(jié)構(gòu)上增加了調(diào)節(jié)和控制設(shè)備，讓換熱站的運(yùn)行調(diào)節(jié)更加科學(xué)合理，在為用戶正常供暖的前提下，把能源的利用率提到最高。改造后換熱站的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

改造之后的換熱站，其優(yōu)點(diǎn)主要在：可以利用PLC 的信息處理和變頻器對(duì)電機(jī)的調(diào)速功能，實(shí)現(xiàn)溫度和循環(huán)水量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，不再需要人為的操作，更加安全可靠。

1）溫度的調(diào)節(jié)控制

傳統(tǒng)二級(jí)水熱交換器的溫度由人工進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，當(dāng)工作量過大時(shí)，二次供水的溫度很難保證在合適值附近。本系統(tǒng)提出用PLC 作為溫度的檢測(cè)和控制器，設(shè)定一個(gè)合適的溫度值，溫度傳感器直接將溫度信號(hào)傳給PLC，可以及時(shí)做出合理的溫度調(diào)節(jié)控制，保證了二次供水溫度始終穩(wěn)定在給定值附近。

2）循環(huán)水量的調(diào)節(jié)控制

在供暖系統(tǒng)的正常運(yùn)行過程中，供暖負(fù)荷會(huì)隨著一些外部因素的變化而改變，如室外溫度。如果室外溫度偏高，卻仍然按照預(yù)先設(shè)計(jì)的供暖負(fù)荷進(jìn)行加熱，就會(huì)浪費(fèi)掉一部分資源，這時(shí)候應(yīng)該降低供暖負(fù)荷，所以本系統(tǒng)提出分級(jí)改變流量的方法進(jìn)行調(diào)節(jié)。

如圖2 所示。設(shè)定一個(gè)固定溫度值T0，循環(huán)水泵的工頻運(yùn)行為f0，以此為參考標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)T ≥T0時(shí)，循環(huán)水泵實(shí)際運(yùn)行頻率f=f0；當(dāng)T ＜T0時(shí)，循環(huán)水泵實(shí)際運(yùn)行頻率f=0.75×f0。

3）補(bǔ)水定壓方式的改進(jìn)

對(duì)于管道內(nèi)水的壓力，人力控制的精度不高，很難達(dá)到恒壓供水。所以采用變頻器恒壓供水的方法對(duì)其進(jìn)行完善，如圖3 所示。

壓力傳感器把管內(nèi)水的壓力信號(hào)P 傳遞給調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器把P 與設(shè)定好的固定壓力值P0進(jìn)行對(duì)比，將比較結(jié)果傳給變頻器[2]，變頻器根據(jù)比較結(jié)果的不同而對(duì)水泵進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。當(dāng)P ＜P0時(shí)，變頻器驅(qū)使水泵轉(zhuǎn)速加快；當(dāng)P=P0時(shí)，變頻器驅(qū)使水泵轉(zhuǎn)速保持不變；當(dāng)P ＞P0時(shí)，變頻器驅(qū)使水泵轉(zhuǎn)速減慢。

1.2 換熱站的節(jié)能分析

下面是水泵轉(zhuǎn)速與揚(yáng)程、流量、軸功率的關(guān)系變化圖，如圖4 所示。

設(shè)水泵原來的轉(zhuǎn)速為n0，原來的耗電量為W0；通過變頻器調(diào)速后的轉(zhuǎn)速為n，耗電量為W。當(dāng)n=n0×80%時(shí)，W=W0×51.2%；當(dāng)n=n0×50%時(shí)，W=W0×12.5%。由以上數(shù)據(jù)可以看出，通過變頻器對(duì)水泵的無級(jí)調(diào)速，可以節(jié)省出相當(dāng)可觀的一部分電能。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于PLC 的換熱站系統(tǒng)組成如圖5 所示。

圖4 水泵流量、揚(yáng)程和軸功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系圖Fig.4 Relationship between pump flow, head, shaft power and speed

圖5 硬件系統(tǒng)框圖Fig.5 Hardware system block diagram

該硬件系統(tǒng)主要由PLC，含特殊功能模塊A/D，D/A；換熱器、液位傳感器、管網(wǎng)壓力表；變頻器[3]；水泵機(jī)組、管道、相關(guān)低壓電器等組成。

PLC 作為本系統(tǒng)的主控制器，接收來自各種傳感器、外部控制開關(guān)和變頻器的信號(hào)；電器組負(fù)責(zé)PLC 與變頻器、水泵機(jī)組之間的信號(hào)傳遞與轉(zhuǎn)換；變頻器驅(qū)動(dòng)機(jī)組工作并保持和PLC 的信號(hào)交換；機(jī)組作為最終的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)供暖系統(tǒng)整個(gè)管道內(nèi)的熱水進(jìn)行調(diào)動(dòng)。

PLC 接收系統(tǒng)各個(gè)部分傳來的信號(hào)后，經(jīng)過自身內(nèi)部的程序運(yùn)算，輸出對(duì)應(yīng)的數(shù)字量給電器組、對(duì)應(yīng)的模擬量給變頻器。然后通過變頻器控制機(jī)組，進(jìn)行供暖熱水的循環(huán)。管道上的壓力傳感器及時(shí)反饋壓力信號(hào)給PLC，PLC再根據(jù)液位、壓力等傳感器傳送過來的信號(hào)，對(duì)供暖系統(tǒng)做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)，如補(bǔ)水、冷凝、污水處理等。

2.2 換熱站供電設(shè)計(jì)

由于換熱站在供電系統(tǒng)中屬于三級(jí)負(fù)荷，直接從外部電網(wǎng)引入進(jìn)電線作為電源即可。本文采用的是380V 低壓電路，所有水泵機(jī)組均為三相電機(jī)。地線的接線采用TN-S接線方式，即把零線和設(shè)備地線獨(dú)立分開，可以有效提高裸露金屬外表設(shè)備的安全性，最大程度上削減對(duì)人員的安全隱患?？刂凭€路使用常見的放射式接線法，保證控制電路和主電路之間的互不干擾，提高系統(tǒng)供電的方便性和穩(wěn)定性。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 啟動(dòng)程序

程序開始啟動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)液位傳感器檢測(cè)到水位符合預(yù)先設(shè)定的要求時(shí)，PLC 給變頻器開始驅(qū)動(dòng)1#水泵緩慢運(yùn)行的信號(hào)，此時(shí)PLC 也會(huì)收到來自壓力傳感器的壓力信號(hào)，經(jīng)過對(duì)壓力信號(hào)的運(yùn)算給出變頻器適當(dāng)?shù)妮敵鲱l率。如果檢測(cè)到管道供水壓力不夠，則頻率上升至最高頻率50Hz。一段時(shí)間后，1#水泵改為工頻運(yùn)行，變頻開始啟動(dòng)2#水泵，增加2#水泵的頻率，直到供水壓力達(dá)到目標(biāo)值。2#水泵仍達(dá)不到目標(biāo)壓力值，就依次類推增加水泵。

3.2 水泵切換程序

1）循環(huán)泵控制

本系統(tǒng)中循環(huán)水泵共3 臺(tái)，一般情況只會(huì)用到兩臺(tái)，另一臺(tái)作為備用使用。如果循環(huán)水泵出現(xiàn)故障能及時(shí)補(bǔ)上，運(yùn)行的兩臺(tái)循環(huán)水泵由變頻器依次啟動(dòng)。設(shè)計(jì)手動(dòng)/自動(dòng)均可控制循環(huán)水泵，只有在自動(dòng)控制狀態(tài)下，循環(huán)泵可以3 臺(tái)電機(jī)一起運(yùn)行。

2）補(bǔ)水泵控制

本系統(tǒng)中循環(huán)水泵共兩臺(tái)，一臺(tái)正常運(yùn)行，一臺(tái)作為備用。PLC 接收來自管道的壓力信號(hào)后，輸出合適的信號(hào)給變頻器，變頻器驅(qū)動(dòng)補(bǔ)水泵運(yùn)行，讓管道壓力處于一個(gè)合適的數(shù)值，保證供水的正常進(jìn)行。

3）冷凝泵和污水泵控制

本系統(tǒng)中冷凝泵和污水泵各有3 臺(tái)，具體需要幾臺(tái)泵運(yùn)行根據(jù)實(shí)際情況而定。當(dāng)需要多臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)，需要變頻器逐一啟動(dòng)，一次只能啟動(dòng)一臺(tái)。當(dāng)需要進(jìn)行冷凝（污水）處理時(shí)，要先讓變頻器通上電，按下啟動(dòng)按鈕后，控制柜上的指示燈被點(diǎn)亮[4]，變頻器開始驅(qū)動(dòng)冷凝（污水）泵工作。如果一臺(tái)泵不夠用，就依次啟動(dòng)剩余的泵，直到冷凝（污水）工作達(dá)到理想狀態(tài)。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文對(duì)于現(xiàn)今換熱站能耗浪費(fèi)較大的問題，重新設(shè)計(jì)出一項(xiàng)高效節(jié)能的自動(dòng)調(diào)節(jié)換熱站，利用PLC 和變頻器實(shí)現(xiàn)換熱站的自動(dòng)調(diào)節(jié)，提高了資源調(diào)度和節(jié)約復(fù)用的效率，為供暖系統(tǒng)提供了充分的全方位的安全保障，實(shí)現(xiàn)了管理的自動(dòng)化和簡(jiǎn)易化，更加便于統(tǒng)一調(diào)度管理，值得推廣。