PLC控制在供熱系統中的節能應用探討

張侃

（神華國能天津大港發電廠有限公司，天津 300272）

在微電子技術和信息技術的快速發展下，PLC控制技術水平不斷提高，適用范圍更加廣泛。在PLC控制技術的應用下，有效改變了傳統的粗放式工業生產模式，通過采取一定的編程算法，實現對電氣系統的自動化控制，根據實際需要改變輸出，減少不必要的能耗，獲得了顯著成果。在供熱系統節能方面的應用是PLC控制技術的一個重點應用方向，但目前供熱系統的整體自動化控制水平還較低，有必要加快相關研究，促進研究成果向實際應用成果的轉換。本文結合我公司的供熱設備，對PLC控制的供熱系統進行了研究說明。

本文根據ERA-Interim 6小時降水數據處理成的日值降水數據，從氣候態空間分布特征、變化趨勢和波動特征出發分析總降雨量、對流型降雨量和大尺度降雨量的空間差異特征，得出如下主要結論：

1 PLC控制技術在供熱系統節能中的應用基礎

PLC自動化控制技術是在傳統的順序控制器基礎上，通過采用微電子技術、先進的計算機和通訊技術，以及自動控制技術，設計并實現一套完整的工業控制裝置，達到對電氣系統進行自動化控制的目的。目前PLC控制在工業中的應用，已經能夠取代傳統系統中的技術順序控制器、繼電器、計時器、執行邏輯組件等功能，建立一套新型的軟件控制系統，具有更強的通用性、可靠性和抗干擾性。而且PLC控制的編程實現較為簡單，為其大范圍應用奠定了良好基礎。PLC控制器的內部運行方式一般采取循環掃描方式，在大中型PLC控制器中，也會使用到中斷運行方式。完成初始的程序編程和調試工作后，可以將編程器程序寫入PLC存儲器中，接受現場輸入信號，連接執行元件，通過輸入端和輸出端的運行，實現PLC自動化控制。同時也支持控制模式的切換，可在特殊情況下進行手動控制。PLC硬件系統主要由微處理器、電源組件、輸入和輸出模塊、存儲器等部分組成。目前市場上的這些產品種類繁多，價格較低，為PLC控制技術在工人系統節能中的應用提供了有利條件，可以有效降低供熱系統優化調整過程中的成本投入。

2 供熱系統節能應用中的供熱模式選擇

（1）現行供熱模式。傳統供熱換熱站的一次網系統主要由電動調節閥、壓力傳感器、電動執行器、流量傳感器和相關控制軟件組成。在其運行過程中，需要根據實際的使用需求，對供熱溫度進行調節，一般采用人工控制方法，將實際供水溫度需求與設定供水水溫進行比較，如果不滿足供水溫度要求，則調整電動調節閥門，從而改變換熱器的一次側水流量，達到對水溫進行調節的目的。在一次側水流量改變后，二次側熱交換器的出口水溫可以達到設定值。要實現自動控制，需要合理設計室外溫度、二次網供水溫度的關系計算公式，從而設計合理的電動調節閥門調節算法，以確保用戶側的實際供應水溫達到供暖要求。但是從傳統供熱模式的實際運行情況來看，各換熱站和熱網之間由于不是并聯連接方式，在換熱站操作過程中，存在相互耦合作用。也就是說，在一個換熱站的閥門調節過程中，其他換熱站電動閥門也會隨之動作，由此會導致在各換熱站以及熱網中產生較長的時間振蕩。如果室外溫度變化較大，引發熱負荷的劇烈變化，熱源無法及時作出調整，這種振蕩現象甚至會導致系統無法正常工作。

（2）基于PLC技術的科學供熱模式。針對我公司目前PLC控制供熱系統存在的不完善之處，可以在現有系統的基礎上，引入新型PLC控制技術，構建新的供暖模式，實現自動化控制目標。一般情況下，環境平均氣溫不會出現劇烈變化，對于氣溫升降差異不大的情況，供熱過程可以用周期函數進行表示，即Qt=Q（t-NT），其中，Qt表示氣溫變化不大時相鄰幾日的供熱周期函數，t表示時間變量，T表示周期天數，N表示周期數。在一個取暖季內，整個供暖周期可以看做是由多個穩定的天氣變化區間和若干個突發寒暖流區間所組成。可在現有系統中，通過采用溫度傳感器，實現溫度參數的自動采集，由環境氣溫的變化情況確定的供熱量函數，可采用下述計算式進行計算：Qt=Qt0=（tn-t0）/（tntw）×q×s。其中，t0是1天內實測環境溫度，單位為℃，tn是設計的室內供熱溫度，單位為℃，tw為設計的計算溫度，q為熱指標，s為供熱面積。在這種供熱方式下，利用PLC控制技術進行自動調節，可以有效解決上述問題。

3 PLC控制技術在供熱系統節能中的具體應用方案

周博士：話雖如此，不過要求中小學教師發表論文，也是為了提高教師的研究能力、讓教師能夠更好地勝任高一級職稱的工作啊！

（1）基于PLC控制技術的供熱模式調整思路。傳統供熱模式的主要缺點是無法對溫度變化及實際供暖需求做出快速響應，采用基于PLC控制技術的供熱模式，則能夠解決這一問題。但是從實際的供熱情況來看，許多供熱部門的供熱模式運行原理與上述提到的科學供熱模式正好相反。主要是利用每天夜間最低氣溫時的供熱量需求作為供應標準，看似平穩的供熱模式，會因連續溫差變化引發失控問題，而且不分晝夜進行“漫灌”，也會造成大量的能源浪費。一般情況下，每天的最高氣溫和最低氣溫之間都會出現10℃左右的溫差變化，而供熱輸出始終保持最大輸出量，則會浪費大量能源，在熱網不平衡下，如果要進行熱源升溫，產生的能源浪費問題則會更加嚴重。因此，必須改變這種供熱思路，關注于供熱需求的實際變化。特別是在目前實施的熱電聯產模式下，必須加快對傳統供熱模式的調整。在此方面，引進新型PLC控制技術，充分發揮其自動化調節和控制功能，可以為供熱模式的轉變提供技術保障。

（2）利用PID參數實現模糊控制。通過對供熱系統運行模式中的一次網供熱機制進行分析可知，在一次網供熱中心的熱源供水過程中，換熱站的主要功能是通過熱交換，將熱量送到用戶側，滿足其采暖需求。在一個供熱區域內，采用PLC控制技術，對供熱系統運行模式進行調節的實際執行裝置是變頻器和調節閥，其供熱效果則主要受控制精度的影響。為了充分滿足在天氣變化情況下的供熱系統調節響應速度要求，可采用PID參數對PLC控制器進行模糊處理，通過將PID參數代入到模糊域，使用模糊控制算法，滿足供熱系統調節的實際需求。其核心控制語句采取“if then”形式，根據每一步的調節需要，設置參數指令值。在控制方案設計過程中，需要對4個控制變量設計3個子集，以實現對誤差的測量，并將變量控制在設定值附近。這3個誤差子集分別為小負（NS）、小正（PS）和零（ZE）集。此外，在系統設計過程中，還為輸出變量設定了5個子集，以適應4個控制變量的不同組合形式。這5個描述控制變量變化的子集除了上述3個子集外，還包括中負（NM）和中正（PM）集。通過在PLC控制編程中設計這些子集，可以實現對調節快慢參數的更改，從而實現模糊控制功能。在PID變參數調節運行方式下，控制器輸出效率和熱量均衡性均能夠達到較高的水平，從而充分滿足供熱系統運行的實際需要。

第二，在充分利用自然的過程中，盡量克服盲目性。在開發利用自然資源的過程中，要采用科學的手段和方法，正確看待人與自然之間的和諧關系，避免形而上學，破壞人與自然之間的良好關系，實現人與自然之間的和諧持續性。當然，在建設新事物的同時，必然伴隨有各種各樣的問題，人們無法阻止問題的發生，但是有能力及時解決問題，防止惡性事態的發展擴大，即使有環境破壞的問題出現，也必將之扼制。馬克思曾經預言：生態文明化必然成為人類社會未來發展的一個基本方向。馬克思指出：“在工業中向來就有那個很著名的‘人和自然的統一’，而且這種統一在每一個時代都隨著工業或慢或快地發展而不斷改變?！?/p>

（3）根據實際熱量需求，調節供熱輸出。從上述分析可見，PLC控制技術在供暖系統運行過程中的應用，可以對環境變化情況進行實時測量，依靠傳感器和網絡通信功能，做到對實際供暖需求的及時掌握。在此基礎上，通過采用模糊控制算法，實現供熱量的按需輸出，從而減少在供暖系統運行過程中產生的不必要的能源浪費問題。我國是一個能源大國，但是人均能源占有量明顯低于世界人均水平。供暖季的能源消耗十分巨大，在一定程度上加劇了不可再生能源的消耗。因此，采用PLC控制技術對供暖系統運行方式進行優化和改進十分必要，在其根據實際熱量需求的調節模式下，每天可以節省的能源數量就十分可觀，整個供暖季能夠節省的能源十分巨大。因此，PLC控制技術在供暖系統運行中的應用，不僅可以幫助供暖部門節省供暖成本，還能夠實現較高的社會效益。應積極促進PLC控制技術在供暖系統中的應用和推廣，關注PLC技術的發展。目前PLC控制器正在向小型化和智能化的方向發展，技術提升的潛力較大，通過不斷更新PLC控制設備，采取先進的控制算法，可以最大化發揮PLC自動化控制技術的作用，徹底改變以往供熱系統能耗較高的狀況，為供熱穩定性和供熱質量提供保障。

4 結語

綜上所述，PLC控制技術在供熱系統中的應用，對于提升供熱系統的節能性有重要幫助。通過對PLC技術在供熱系統中的應用原理和具體運行方式進行分析，可以明確其技術應用的方向，促進基于PLC控制的科學供熱模式的應用推廣。我公司在未來幾年的供熱中，可以參考新型PLC控制技術，對設備進行改進，有效解決傳統運行模式中供熱調節響應速度慢等問題，實現按需供應，提高用戶的滿意度。