基于太陽能和PLC技術的鍋爐供熱水自動控制系統*

蔣 永 峰

(湖州師范學院 信息與工程學院,浙江 湖州 313000)

1 前 言

目前許多賓館、廠礦、學校等企事業單位的浴室仍采用傳統鍋爐供熱水，不僅能耗高，而且污染環境。隨著太陽能技術的不斷發展與進步，太陽能供熱水技術應用越來越廣泛，它不耗能、清潔環保，但存在著連續陰雨天或寒冷天氣供熱水效果差等缺點。

PLC是工業自動化領域的三大支柱之一，在各類控制系統中得到了普遍的應用，它功能十分強大、性能穩定可靠、硬件裝配接線及軟件編程調試便捷高效[1]，為傳統鍋爐供熱水系統的升級改造提供了可靠的保證。

本文介紹利用太陽能、PLC技術對眾多企事業單位傳統鍋爐供熱水系統進行升級改造，基本保留原有的鍋爐系統，引入太陽能供熱水系統及PLC控制系統，改造花費成本較低，可使眾多的賓館、廠礦、學校等企事業單位的浴室在一般情況下使用太陽能供熱水，在一些特殊天氣氣候條件下啟動鍋爐運作，使太陽能與鍋爐供熱水的良好配合，達到節能省錢、清潔環保、改造方便且成本低廉之目的。

2 太陽能供熱水系統設計

2.1 系統主要功能

(1)太陽能集熱器、鍋爐水箱水溫的檢測與顯示。太陽能集熱器水溫T1與鍋爐水溫T2形成了溫差△T，我們設定溫差動作上限△T上(設為8 ℃)、下限△T下(設為4 ℃)，規定當△T>△T上(8 ℃)時，太陽能集熱器與鍋爐間水流循環系統動作；當△T<△T下(4 ℃)時，太陽能集熱器與鍋爐間水流循環系統停止，主要目的是減少系統運行的能耗、提高熱水交換效率。

(2) 為防止鍋爐水箱水溫T2過高易燙傷人、水箱易結水垢，規定當T2>70 ℃時，太陽能集熱器與鍋爐間水流循環停止。

(3)對于連續陰雨天、過冷天氣，太陽能集熱效果差，水溫上升緩慢，以及用熱水高峰時段鍋爐水溫下降過快，規定一旦T2<40 ℃及T1<40 ℃，系統延遲10分鐘后報警(聲，光)，此時可人工操作啟動鍋爐供熱水系統，以達到全天候供熱水目的。

(4)晚上6∶00-凌晨1∶00，太陽能集熱效果差，凌晨1∶00-早上6∶00，洗浴使用率極低，太陽能集熱效果亦低，為節省能源與減少浪費，設定此時間段太陽能集熱器與鍋爐之間的水流循環系統停止運作。

(5)鍋爐內設置二個水位點，即補水水位P2、滿水水位P1，規定當鍋爐內水位低于P2，外界進水系統動作進水；一旦鍋爐內水位達到P1，外界進水系統停止補給。

(6)供用戶熱水主回路水壓一旦檢測到從正常值至趨向于零，視為無用戶用熱水，延遲10 s后主管道回水循環系統持續抽回水5 s即停止，以保證空閑時段供熱水主管道基本無剩水，又不持續或定時抽回水而節能。

系統水路結構組成如圖1所示。

圖1 系統水路結構框圖

2.2 系統電路結構及硬件設計

系統電路結構組成如圖2所示。

考慮到程序設計所占I/O點數(其中溫度模塊占用PLC的I/O 8點)再加適當余量的原則，選擇32點PLC；因輸出設置顯示電路，故選擇晶體管型，綜合考慮選用三菱FX2N-32MT。

溫度傳感器采用PT100型，溫度模塊采用FX2N-4AD-PT，系統溫度采集點為太陽能集熱器水溫T1、鍋爐水箱水溫T2、供熱水出水口水溫T3。

鍋爐水箱水位傳感器采用浮球式水位傳感器，其特點是價格低廉、結構簡單、安裝接線方便、壽命長。鍋爐水箱內水位采集點為補水水位P2檔、滿水水位P1檔。

溫度顯示電路包含1片BCD譯碼驅動CD4511、3位LED數碼顯示器及相應的上拉電阻，顯示太陽能集熱器、鍋爐水箱的溫度，三者采用按鈕切換顯示，溫度顯示范圍為0 ℃-99 ℃(兩位半顯示)，為節省輸出點數，顯示采用動態掃描技術。

外界自來水進水系統、太陽能集熱器與鍋爐水箱的水流循環系統、供用戶熱水系統中均含電磁閥及增壓泵(或循環泵)，由于PLC為晶體管型，PLC與電磁閥及增壓泵(或循環泵)間加接直流繼電器。

為使供熱水主管路空閑時無積水，主管路加入電接點式壓力表檢測熱水主管路壓力。

圖2 系統硬件結構框圖

2.3 系統程序設計

本系統包含溫度模塊控制程序、太陽能集熱器與鍋爐水流循環系統控制程序、鍋爐水溫過高或過低動作程序、特定時間限制程序、外界自動進水系統控制程序、供用戶熱水系統控制程序，溫度顯示程序等，限于篇幅，本文僅介紹A/D模塊控制程序、太陽能集熱器與鍋爐水箱的水流循環系統控制程序、鍋爐水箱溫度過高或過低動作程序的設計流程。

2.3.1 溫度模塊控制程序、太陽能集熱器與鍋爐水流循環系統控制程序設計 太陽能集熱器、鍋爐兩者水溫信號的采集由2只溫度傳感器PT100通過溫度模塊FX2N-4AD-PT完成。溫度模塊控制程序要完成溫度模塊判別、工作模式設置、溫度信息讀入、狀態信息設置等；溫度模塊定義為0模塊，BFM#9、BFM#10分別作為太陽能集熱器、鍋爐水箱的即時溫度數據[2]，溫度模塊編程核心指令為模塊量TO/FROM指令[3]；設置太陽能集熱器與鍋爐溫差比較及系統動作程序的目的是提高熱交換效果、節省能源，編程核心指令是CMP比較指令(或觸點比較指令)[3]，此部分控制過程圖如圖3所示。

2.3.2 鍋爐水箱水溫過高或過低動作程序設計 為防止鍋爐水箱水溫T2過高易燙傷人、水箱易結水垢等，設置當T2>70 ℃時太陽能集熱器與鍋爐水箱間水流循環系統停止運行；為避免用熱水高峰鍋爐水箱熱水溫度下降過快、以及連續陰雨天或過冷天氣水箱水溫上升緩慢，設置當T2<40 ℃、T1<40 ℃時系統延遲10分鐘后啟動報警，即可人工啟用鍋爐供熱水系統，以求能全天候供應熱水；上述程序的編程核心指令為CMP比較指令(或觸點比較指令)[3]；此部分主要控制過程圖如圖4。

3 結論

應用太陽能及PLC技術對傳統鍋爐供熱水系統進行升級改造，可以達到節能、環保、實用、改造成本低等目的。實踐證明，本系統具有硬件裝配接線便捷、編程調試方便、顯示直觀、抗干擾能力強等優點，具有良好的經濟和社會效益，值得推廣應用。

參考文獻：

[1] 王萬麗.三菱系列PLC原理及應用[M].人民郵電出版社,2009:1-4.

[2] 吳啟紅.變頻器、可編程控制器及觸摸屏綜合應用技術實操指導書[M].北京：機械工業出版社,2007:213-215.

[3] 張運剛.從入門到精通-三菱FX2N PLC技術與應用[M].人民郵電出版社,2007:119,123,265-268.