基于PLC控制的智能供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝 沖 郭 剛 馮巧麗 賀 錕

（山西大同大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)中心 大同 037009）

引言

目前我國(guó)供熱主要分為兩種形式，集中供熱與分散供熱。集中供熱通過熱電站、區(qū)域鍋爐房等設(shè)施產(chǎn)生熱源，通過熱力網(wǎng)以水暖的形式將熱能送入千家萬戶。分散供熱則是通過小型鍋爐、熱泵、家用電熱器等產(chǎn)生熱能進(jìn)行供熱。集中供熱可以全天不間斷供熱，并且相比其他取暖方式，其運(yùn)行費(fèi)用較低。但通過熱電站等設(shè)施以煤為燃料產(chǎn)生熱能的過程中會(huì)造成一定的環(huán)境污染。同時(shí)集中供暖能耗高，熱效率低，浪費(fèi)能源，并且有明顯的時(shí)間周期限制與地域限制。每年供暖期起止時(shí)間較為固定，集中供暖來臨和結(jié)束后無法再進(jìn)行采暖。以秦嶺淮河為分界線，北方有集中供暖而南方?jīng)]有。傳統(tǒng)煤改電供暖大多采用分散供暖。分散供暖形式靈活多樣，更適合供熱要求不同的居民進(jìn)行個(gè)性化選擇。但在日常使用中，無論是中央空調(diào)供暖還是壁掛爐、普通電熱器等采暖方式都有熱效率差，使用成本高等缺點(diǎn)。蓄熱式電暖器在一定程度上緩減了這些問題[1]。本文通過設(shè)計(jì)一種基于PLC控制的智能供暖系統(tǒng)，采用蓄熱式電暖氣作為供暖設(shè)備，進(jìn)一步降低能耗，節(jié)約使用成本，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。

1 蓄能式電暖器的工作原理

傳統(tǒng)蓄熱式電暖器結(jié)構(gòu)由蓄熱體、保溫板、鋼板外殼、電加熱管構(gòu)成。在夜間電價(jià)相對(duì)較低的時(shí)段，通過電加熱管通電加熱，并使蓄熱體儲(chǔ)熱以完成供暖蓄熱過程。在白天和夜間蓄熱體可以持續(xù)性放熱以達(dá)到24 h不間斷供熱的狀態(tài)，保證供暖效果。

2 基于PLC控制的智能供暖系統(tǒng)

2.1 基于PLC控制的智能供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)開發(fā)一個(gè)基于PLC控制的智能供暖系統(tǒng)，以西門子 PLC 作為控制核心,在傳統(tǒng)蓄熱式電暖器的結(jié)構(gòu)中增設(shè)太陽能電池板以及蓄電池組作為輔助供電裝置，白天將太陽能轉(zhuǎn)化的電能進(jìn)行存儲(chǔ)，夜間優(yōu)先使用蓄電池組中的電能，之后再使用居民用電進(jìn)行蓄熱供熱[2]。通過溫度傳感器實(shí)時(shí)讀取室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，通過電流變送器和電壓變送器實(shí)時(shí)讀取蓄電池組剩余電量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC,組態(tài)畫面實(shí)時(shí)顯示時(shí)間、室內(nèi)溫度與蓄電池組剩余電量參數(shù)，若出現(xiàn)故障及時(shí)報(bào)警并實(shí)施保護(hù)。

根據(jù)所需室溫設(shè)置溫度定值，白天太陽能電池發(fā)出的電能全部?jī)?chǔ)存在蓄電池組中，當(dāng)光照較強(qiáng)室溫高于或等于溫度設(shè)定值時(shí)，蓄熱式電暖器電加熱管不工作。當(dāng)溫度下降到設(shè)定值以下時(shí)，蓄熱式電暖器電加熱管開始工作并蓄熱。夜間電暖器優(yōu)先使用蓄電池組的儲(chǔ)電供熱，當(dāng)蓄電池組儲(chǔ)能降到預(yù)設(shè)值時(shí)使用谷段低價(jià)市電開始充電并供熱。蓄電池組設(shè)定預(yù)設(shè)值是為了保證夜間未充電且在第二天日照不足太陽能發(fā)電受限的情況下，蓄熱式電暖器可維持8 點(diǎn)到22 點(diǎn)間室溫達(dá)到設(shè)定值。

2.1.1 基于PLC控制的智能供暖系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由PLC、太陽能電池板、蓄電池組、電壓變送器、電流變送器、蓄熱式電暖器以及溫度傳感器組成。觸摸屏連接PLC實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行和監(jiān)視功能。通過分析電壓變送器、電流變送器、溫度傳感器采樣提取的數(shù)據(jù)，由S7-200 SMART、總開關(guān)按鈕控制太陽能電池板、蓄電池組、市電進(jìn)線以及蓄熱式電暖器的工作方式。系統(tǒng)選用蓄熱式電暖氣功率為1 600 W，蓄熱時(shí)長(zhǎng)為（6～8）h，電加熱管電阻值為30 Ω。蓄電池組選用4塊額定電壓為直流12 V容量為800 AH的光伏儲(chǔ)能膠體蓄電池與匹配規(guī)格逆變器。太陽能電池板選用8塊600 W單晶太陽能板。系統(tǒng)程序內(nèi)設(shè)定蓄電池組預(yù)設(shè)電量58 %（22.4 kwh1867 AH）與溫度設(shè)定值25 ℃。觸摸屏通過以太網(wǎng)線與PLC相連接，數(shù)據(jù)傳輸通過TCP/IP通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)[3]。

圖1 智能供暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖2所示，電氣系統(tǒng)由交流220 V電源、空氣開關(guān)、太陽能電池板、蓄電池組、溫度傳感器、電流變送器、電壓變送器、直流24 V開關(guān)電源、S7-200 SMART、模擬量擴(kuò)展模塊EMAE04、電暖器發(fā)熱電阻、控制按鈕、報(bào)警燈組成。各種傳感器通過直流24 V開關(guān)電源供電。系統(tǒng)總開關(guān)按鈕接PLC的開關(guān)量輸入接點(diǎn)。溫度傳感器1、溫度傳感器2和溫度傳感器3、電壓變送器、電流變送器接PLC的模擬量輸入接點(diǎn)。PLC有8個(gè)輸出接點(diǎn)，分別接7個(gè)開關(guān)繼電器線圈和系統(tǒng)故障報(bào)警燈。實(shí)現(xiàn)蓄熱式電暖器智能、高效、靈活的投入使用。

圖2 智能供暖系統(tǒng)電氣原理圖

圖3 智能供暖系統(tǒng)組態(tài)畫面

圖4 智能供暖系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控畫面

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 組態(tài)畫面設(shè)計(jì)

如圖 3 所示，為智能供暖系統(tǒng)組態(tài)畫面，主界面顯示各房間實(shí)時(shí)溫度信息、蓄電池剩余電量信息、電暖器工作狀態(tài)信息以及系統(tǒng)故障信息和時(shí)間信息。整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止可通過主界面上的啟動(dòng)和關(guān)機(jī)按鈕控制。需要查閱報(bào)警顯示與數(shù)據(jù)曲線時(shí)可以通過圖表界面按鈕切換。

2.2.2 數(shù)據(jù)庫點(diǎn)參數(shù)設(shè)置

如圖5所示，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際的控制要求，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫點(diǎn)。在力控軟件中，設(shè)置數(shù)據(jù)庫點(diǎn)參數(shù)并進(jìn)行保存和數(shù)據(jù)連接。

圖5 智能供暖系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫點(diǎn)參數(shù)設(shè)置

2.3 智能供暖系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)如圖6所示的智能供暖系統(tǒng)控制流程[4]，并按照控制流程編寫PLC控制程序，使智能供暖系統(tǒng)具備多種工作模式。

圖6 智能供暖系統(tǒng)控制流程圖

系統(tǒng)工作模式如下：

1）自檢模式：系統(tǒng)上電，PLC開始自檢，若發(fā)現(xiàn)軟件或硬件存在故障情況，報(bào)警燈閃爍且閉鎖啟動(dòng)開關(guān)，此時(shí)維護(hù)人員可做相應(yīng)檢修操作。若PLC自檢結(jié)束未發(fā)現(xiàn)故障情況則系統(tǒng)正常工作。

2）待機(jī)充電模式：時(shí)間處于8點(diǎn)到20點(diǎn)之間，室內(nèi)溫度值高于或等于當(dāng)前溫度設(shè)定值，蓄熱式電暖器電加熱管處于待機(jī)狀態(tài)。市電充電開關(guān)KM6斷開，蓄電池組供電開關(guān)KM7斷開、總開關(guān)KM1斷開，太陽能充電開關(guān)KM5閉合，蓄電池組充電。

3）日間充電工作模式：時(shí)間處于8點(diǎn)到20點(diǎn)之間，室內(nèi)溫度值低于當(dāng)前溫度設(shè)定值，蓄熱式電暖器電加熱管通電加熱。市電充電開關(guān)KM6斷開，蓄電池組供電開關(guān)KM7閉合、總開關(guān)KM1斷開，太陽能充電開關(guān)KM5閉合，蓄熱式電暖器工作開關(guān)閉合、蓄電池組充電的同時(shí)向蓄熱式電暖器供電。

4）非充電工作模式：時(shí)間處于20點(diǎn)到8點(diǎn)之間，蓄電池電壓高于或等于設(shè)定值，即蓄電池剩余電量大于或等于設(shè)定值，蓄熱式電暖器電加熱管通電加熱。太陽能充電開關(guān)KM5斷開，蓄電池供電開關(guān)KM7閉合，市電充電開關(guān)KM6斷開，總開關(guān)KM1斷開，蓄熱式電暖器工作開關(guān)閉合，蓄電池組向蓄熱式電暖器供電。

5）夜間充電工作模式：時(shí)間處于20點(diǎn)到8點(diǎn)之間，蓄電池電壓低于設(shè)定值，即蓄電池剩余電量小于設(shè)定值，蓄熱式電暖器電加熱管通電加熱。太陽能充電開關(guān)KM5斷開，蓄電池供電開關(guān)KM7斷開，市電充電開關(guān)KM6閉合，總開關(guān)KM1閉合，蓄熱式電暖器工作開關(guān)閉合，市電向蓄熱式電暖器供電。此模式下蓄電池組充電直至充滿或充電到達(dá)8點(diǎn)，因蓄電池設(shè)定預(yù)設(shè)值可維持8點(diǎn)到22點(diǎn)間室溫達(dá)到設(shè)定值，既蓄電池充電時(shí)間為谷段低電價(jià)時(shí)間。

6）系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，溫度傳感器、電流變送器和電壓變送器采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸給 PLC，PLC 上傳給觸摸屏，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)并保存。通過顯示窗口，可顯示數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)曲線圖和報(bào)警信息。

3 應(yīng)用前景

本文以三房間房屋為研究模型開展討論，通過谷段低價(jià)電給蓄熱式電暖器供電發(fā)熱蓄熱，以及用太陽能和蓄電池組輔助供電以達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的[5]。該系統(tǒng)前期投入資金較大，但拓展到小區(qū)、寫字樓等大規(guī)模供熱區(qū)域后，長(zhǎng)期運(yùn)行能節(jié)約較多費(fèi)用。

4 結(jié)語

目前集中供暖存在供暖效果不理想、污染環(huán)境、大量消耗化石燃料和不可再生煤炭資源的問題。而傳統(tǒng)煤改電供暖又因成本高昂難以大面積實(shí)行。以谷段低價(jià)電能供電，用太陽能發(fā)電輔助供電，再通過PLC控制的智能供暖系統(tǒng)的發(fā)展前景十分可觀，可為未來居民或企業(yè)采購取暖設(shè)備提供新的選擇。