變頻器結合PLC 在供熱系統中的應用

孫永民

（哈爾濱市華能集中供熱有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

目前國內集中供熱系統來看，大多數供暖系統無自動控制，多為人工調節。這種調節方式增加了勞動強度，調節不及時，供熱質量差，熱量浪費大。為了避免不必要的熱量浪費，實現供熱供熱系統安全經濟運行，實現集中供熱系統的最佳控制。采用了PLC 自控系統，電機控制采用變頻器控制系統，達到最大程度的節能。

1 集中供熱系統實行變頻器與PLC的必要性

實行集中供熱是合理利用能源、提高能源利用率、減少環境污染、促進生產、改善人民生活、加速城市現代化建設的有效措施和重要途徑。集中供熱已成為我國北方冬季供熱的一種主要形式，并且在別的地區也得到了越來越廣泛的應用。但與一些工業發達的國家相比，整個供熱系統的熱能利用效率、設備的品種和質量、運行管理和自控水平等方面，仍存在不少差距。由于循環泵或補水泵在供熱系統中承擔著補充失水和對系統進行定壓的任務，系統具有肩動頻繁的特點。因此，對電網形成巨大的沖擊，從而容易造成管路止回閥的損失，而且還容易造成保護裝置的誤動作，影響其它設備的正常運行。而變頻調速控制水泵的電機從零速以無級變速向使用轉速過渡，運行較平穩，對電網不會造成沖擊，因此，延長了電機的使用壽命。同時，由于電動機的運行噪聲與其轉速有關，即轉速越高，噪聲越大。使用變頻調速裝置使轉速和噪聲明顯降低，改善了工作環境。目前，在集中供熱系統中，為了保持經濟運行，同時保證供熱質量，變頻器結合PLC 控制系統在集中供熱系統中，對于節能及系統的穩定性存在著必要的重要性。

2 變頻器結合PLC 控制系統設計

供熱工程控制系統由西門子300PLC、變頻器、變頻調速電動機、壓力傳感器、溫度傳感器以及流量計等組成。

2.1 變頻器控制原理

變頻器首先將三相交流電壓整流為直流電壓，然后再將直流電壓轉換成幅值和頻率均可變的交流電壓。因此，電動機輸入的電壓和頻率均可變，從而使三相標準交流電動機實現無級變速功能。

整流器：三相橋式整流器將交流電壓整流為直流電壓。中間電路：使中問電路電壓保持平滑，降低反饋到主電源的諧波電流。逆變器：將直流電壓轉換成幅值和頻率均可變的交流電壓。控制卡：控制卡上有控制逆變器產生脈沖序列的微處理器，通過它可以將直流電壓轉換成幅值和頻率均可變的交流電壓；提供控制變頻器的各種控制信號；監視變頻器的工作狀態，提供保護功能。

2.2 模塊結構型PLC

所謂模塊，就是按照功能將電路進行分類，通常是每一種功能制成一塊電路板，稱為模板或板卡，每塊模板置于工程塑料外殼內，成為獨立的單元，如CPU 單元、輸人單元、輸出單元、特殊I／O 單元、通信單元以及供電單元等等。各單元插在帶有總線的CPU 底板上，構成CPU 機架；對于無底板的模塊結構型PLC，則是通過各個單元側面的連接器，構成CPU 機架。如果CPU 機架(或稱主機架)的I／O 點數不夠用，或者需要增加新的特殊單元，可以增加擴展I／O 機架，擴展 I／O 機架由供電單元、I／O 接口單元(僅無底版型需要)、擴展 I／O 底版(僅有底板型需要)、I／O單元以及特殊I／O 單元組成。模塊結構型PLC的特點是組態靈活、擴展方便以及維護簡單。模塊結構型PLC 如圖1 所示。

圖1

2.3 PLC 程序設計

采用西門子300PLC 作為調節閥的控制器，在一次網中，需要通過室外溫度來調節調節閥，從而控制二次供水溫度。而室外溫度是時時變化的，所以采用根據不同的溫度范圍調用不同的調節。

閥開度，從而實現智能控制，分為32 組開度值，即：專家控制策略。首先室外溫度采用PT100的溫度傳感器，輸出0～10v的直流電壓，傳送給西門子300的模擬量輸入模塊，經過程序設計，根據溫度的不同，調出不同調節閥開度，通過模擬量輸出模塊輸出4～20 mA的直流信號，調節閥接到不同的電流值，則對開度進行調節，從而保證了二次供水的溫度。在整個控制系統中，可編程邏輯控制器其實起到了數據采集的作用，將溫度變送器和壓力變送器以及電磁流量計的數值采集上來，再根據這些數值進行相應的運算，將結果傳送給相應的設備，起到智能調節作用。

2.4 變頻器對循環泵的控制設計

現有循環泵系統的流量與壓差是靠閥門和旁通壓差閥調節來完成，因此，不可避免地存在較大載流損失。為了解決這個問題，需使水泵隨著負載的變化而調節水流量并關閉旁通，又因為水泵采用的是自藕減壓或星一三角起動方式，電機的起動電流為額定電流3～4 倍，一臺30KW的電動機其啟動電流將達到200A 左右，在如此大的電流沖擊下，接觸器的使用壽命將大大下降，同時啟動時的機械沖擊和停泵時的水錘現象，容易對機械散件(如軸承，閥門與管道)等造成破壞，從而增加了維修工作量及配件費用，費時費力。變頻節能技術和PID 控制電路的應用普及，使循環泵實現軟啟動及自動"啟動、停止、輪換、變量調節、自動故障中文顯示及予測"等功能，改變原來由人工控制的模式，大大提高設備的自動化程度和大大地減少了電機的啟動電流，使循環水泵最大限度地提高節能效果。

2.5 變頻器控制分析

由于30KW的水泵功率較小，因此采用一拖二控制方式，自動時根據回水溫度的變化，實現泵的自動投切，投切順序為：先投先切。若一臺泵能持續滿足實際的工況要求，變頻器自動計時，實現定時倒泵，保證各水泵的機械磨損一樣，延長泵的使用壽命。自動變頻時，變頻器根據冷卻水回水控制冷卻水循環泵，實現恒流量運行并保證最低流量，節約此前因超壓流經節流閥的水泵耗能。

3 結束語

變頻器結合PLC 系統這一項自動化技術的采用，大大降低了能耗。這項自動控制技術的采用利于提高企業科學管理水平，有利于供熱系統的安全經濟穩定運行，有利于企業挖潛改造，提簡經濟效益，存利于改變環境節省勞動力，這項技術對推動經濟的發展起到了積極的作用。

[1]任鋼鋒，李娟.PLC 技術在帶式輸送機自動控制系統中的應用 [J].昆明冶金高等專科學校學報，2009.

[2]石宏偉.集中供熱系統的自控.煤氣與熱力2001(2).

[3]吳亞青.楊克武.高國平通過變頻技術改變流量運行模式的節能實踐 .區域供熱.2006(5).

[4]葉樹人.邢城集中供熱供冷系統發展的探討.煤氣與熱力.2001(3).