基于PLC的自動(dòng)熱水系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

桑吳剛 盧美鴻

（江蘇省昆山第一中等專業(yè)學(xué)校，昆山 215300）

為了提高加熱效率和降低造價(jià)，本方案采用電熱管直接與水接觸的加熱方式。電熱管的裝機(jī)容量根據(jù)熱功轉(zhuǎn)換公式計(jì)算，能滿足最大用水量時(shí)燒制熱水的需要。方案中，每個(gè)供熱水系統(tǒng)設(shè)置多個(gè)熱水存儲(chǔ)罐，每個(gè)存儲(chǔ)罐設(shè)置多組電熱管并實(shí)現(xiàn)按熱水使用需要（熱水用量和水溫）自動(dòng)調(diào)節(jié)存儲(chǔ)罐和加熱管投運(yùn)數(shù)量，確保任何情況下均能滿足用水需要。熱水系統(tǒng)采用自動(dòng)控制，并全面考慮了熱水系統(tǒng)的安全防護(hù)裝置。

1 裝置的基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述功能的需要，自動(dòng)電熱水裝置主要由熱水存儲(chǔ)罐、加熱單元、電源控制柜、自動(dòng)控制柜、上位機(jī)及其他輔助件（傳感器、控制閥等）組成。自動(dòng)電熱水裝置的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)電熱水裝置基本結(jié)構(gòu)

其中，自動(dòng)控制柜內(nèi)安裝有PLC等自動(dòng)化控制部件，擔(dān)負(fù)著整個(gè)裝置運(yùn)行的自動(dòng)控制。自動(dòng)控制柜面板上安裝有觸摸屏，使得操作人員可以通過觸摸屏設(shè)定設(shè)備各運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)通過觸摸屏顯示設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)及狀態(tài)。上位機(jī)（為用戶選配件）安裝在用戶單位的集中控制室，因此值班人員可以通過上位機(jī)對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，無需人員在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)操作或值守[1]。

2 各主要元器件的選型設(shè)計(jì)

2.1 存儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)罐采用圓柱體容積結(jié)構(gòu)。它的殼體從里到外依次為內(nèi)膽、保溫層和外保護(hù)層。在罐的頂部設(shè)置供維護(hù)人員進(jìn)入的入口，并設(shè)置帶保溫層的入口蓋板。正常運(yùn)行時(shí)，存儲(chǔ)罐頂部入口處于關(guān)閉狀態(tài)，只有當(dāng)內(nèi)部檢修需要進(jìn)入人員時(shí)才打開。在罐的側(cè)面靠底面的地方設(shè)置排污口，并安裝手動(dòng)排污閥。存儲(chǔ)罐的進(jìn)水管位于罐的頂部，出水管位于罐的側(cè)面高出底部約0.8m的部位。所有與內(nèi)膽連接的部件均采用不銹鋼焊接連接方式。

2.2 加熱單元的設(shè)計(jì)

加熱單元由加熱室、電熱管及蝶閥焊接成組合件。安裝時(shí)，采用配裝焊接的方式將加熱單元與存儲(chǔ)罐內(nèi)膽固定連接。電熱管安裝在矩形結(jié)構(gòu)的加熱室內(nèi)。蝶閥選用上海陽一閥門有限公司生產(chǎn)的D71X型不銹鋼手動(dòng)蝸輪式閥門。電熱管是以金屬管為外殼（不銹鋼），沿管內(nèi)中心軸向均布螺旋電熱合金絲（鎳鉻、鐵鉻合金）。它的空隙填充具有良好絕緣導(dǎo)熱性能的氧化鎂砂并壓實(shí)，管口兩端用硅膠密封。這種金屬鎧裝電熱元件可以加熱空氣、金屬模具和各種液體。

2.3 各閥門的選型設(shè)計(jì)

根據(jù)功用，查產(chǎn)品樣本，最終進(jìn)水及出水閥選用浙江澳翔自控科技有限公司生產(chǎn)的CHQ系列電動(dòng)球閥。它的公稱通徑為65mm，材質(zhì)為304不銹鋼，電源電壓為AC 220V。排污閥選用公稱通徑為65mm、材質(zhì)為不銹鋼的手動(dòng)球閥。

2.4 電源控制柜

根據(jù)電源電壓及電熱管功率，查產(chǎn)品樣本，選用一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)型交流低壓GGD系列動(dòng)力柜。柜內(nèi)安裝有總斷路器（具有漏電、過電流保護(hù)功能）、支路斷路器（具有漏電、過電流保護(hù)功能）、交流接觸器、電流互感器以及數(shù)字式電流電壓儀表。柜內(nèi)主要部件選型如下。

2.4.1 總斷路器

選用一個(gè)施耐德SNDSN系列塑殼式漏電斷路器，額定電壓等級(jí)為380V，額定電流應(yīng)大于等于2倍設(shè)備的總額定電流，具有漏電、短路保護(hù)功能。

2.4.2 支路斷路器

選用施耐德SNDSN系列塑殼式漏電斷路器，額定電壓等級(jí)為380V，額定電流為100A，具有漏電、短路保護(hù)功能。每個(gè)存儲(chǔ)罐配備3個(gè)支路斷路器（總數(shù)根據(jù)用戶安裝存儲(chǔ)罐的數(shù)量而定）。

2.4.3 支路交流接觸器

查產(chǎn)品樣本，選用施耐德SNDLCD1-95型交流接觸器，額定電壓為380V，額定電流95A，線圈電壓220V，帶輔助觸頭（2開2閉）。每臺(tái)存儲(chǔ)罐配備3個(gè)支路交流接觸器（總數(shù)根據(jù)用戶安裝存儲(chǔ)罐的數(shù)量而定）。

2.4.4 避雷器

根據(jù)電壓等級(jí)，查產(chǎn)品樣本，選用一組（4個(gè)）LKX- M380/4/120型避雷器。

2.4.5 電流互感器

選用3個(gè)BH-0.66-30Ⅰ型穿心式電流互感器，電流比為I/5（原側(cè)電流I根據(jù)電熱管總功率確定）。

2.5 自動(dòng)控制柜

自動(dòng)控制柜各零部件選型設(shè)計(jì)如下。

2.5.1 柜體

選用一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)型交流低壓GGD系列動(dòng)力柜。

2.5.2 控制柜電源總開關(guān)（低壓斷路器）

選用2個(gè)（備用1個(gè)）控制柜電源總開關(guān)。根據(jù)控制柜最大總輸入功率≤5kW，額定電流≤10A，電壓等級(jí)為380V，查產(chǎn)品樣本，選用施耐德DZ47-16型高分?jǐn)嘈⌒蛿嗦菲?，三極，400V，16A，具有短路、漏電等保護(hù)。

2.5.3 低壓電源避雷器

在控制柜內(nèi)安裝避雷器，防止雷擊時(shí)高電壓串入損壞控制系統(tǒng)。根據(jù)電壓等級(jí)380V，查產(chǎn)品樣本，選用一組（共2個(gè)）LKX-M380/4/80型避雷器。

2.5.4 隔離變壓器

根據(jù)電壓等級(jí)、PLC、中間繼電器、電磁閥、磁力啟動(dòng)器以及傳感器等器件的總功耗，查產(chǎn)品樣本，選用一個(gè)長(zhǎng)沙玉威公司TDB系列，額定容量500VA，電壓220V/220V隔離變壓器。

2.5.5 開關(guān)電源

為給傳感器、中間繼電器以及觸摸屏等提供可靠的DC 24V電源，控制系統(tǒng)設(shè)置開關(guān)電源。查產(chǎn)品樣本，選擇一個(gè)臺(tái)灣明緯系列開關(guān)電源，功率350kW，輸入電壓AC 220V，輸出電壓DC 24V。

2.5.6 中間繼電器

為保障PLC工作安全穩(wěn)定運(yùn)行，PLC輸出端均采用中間繼電器隔離。根據(jù)兩PLC輸出端數(shù)字量通道數(shù)（見以下“PLC輸入輸出點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)表”）及各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的形式和線圈容量，查產(chǎn)品樣本，選擇40個(gè)（含備用5個(gè)）歐姆龍系列中間繼電器。繼電器觸點(diǎn)為二開二閉，觸點(diǎn)最大接通電流為10A，控制電壓為AC 220V，線圈電壓為DC 24V。

2.5.7 PLC

根據(jù)控制系統(tǒng)的大小和運(yùn)算處理速度的要求，擬選用三菱FX3U系列PLC。根據(jù)控制需求，暫按安裝4個(gè)存儲(chǔ)罐統(tǒng)計(jì)，PLC輸入輸出數(shù)字量點(diǎn)數(shù)和模擬量輸入情況[2]，分別如表1、表2和表3所示。

表1 PLC數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)表

表2 PLC數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)表

表3 PLC模擬量輸入點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)控制功能要求及以上對(duì)I/0的統(tǒng)計(jì)，PLC的CPU選用三菱FX3U-80MR-001型模塊（該CPU模塊上集成有數(shù)字量輸入I/0共40點(diǎn)、數(shù)字量輸出I/0共40點(diǎn)，電源為AC 220V，輸入電壓為DC 24V）共1塊。另配套選用FX2N-16EX數(shù)字輸入擴(kuò)展模塊1塊，配套選用FX2N-4AD模擬量輸入模塊5塊[3]。根據(jù)上述選型，列出所選PLC模塊明細(xì)表如表4所示。

表4 PLC模塊明細(xì)表

2.5.8 熔斷器

根據(jù)開關(guān)電源的額定電流，選擇4個(gè)RT18-32X型熔斷器（電壓為380V，熔絲電流為6A）作為隔離變壓器220V輸出側(cè)和24V輸出側(cè)的短路保護(hù)。

2.6 各傳感器的選型設(shè)計(jì)

2.6.1 水位傳感器

根據(jù)存儲(chǔ)罐高度≤3m，查產(chǎn)品樣本，選用2個(gè)瑞士原裝進(jìn)口TRAFAG8472型傳感器，壓力范圍為0～100kPa。

2.6.2 溫度傳感器

根據(jù)存儲(chǔ)罐內(nèi)熱水溫度≤100℃，查產(chǎn)品樣本，選用2個(gè)PT100系列溫度傳感器，測(cè)溫范圍為0～200℃。

3 功能實(shí)現(xiàn)原理

在存儲(chǔ)罐上安裝水位傳感器（每個(gè)存儲(chǔ)罐安裝1個(gè)水位傳感器），在線檢測(cè)存儲(chǔ)罐中的水位，并將檢測(cè)信號(hào)傳送至PLC。PLC比較水位實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)后，輸出控制信號(hào)控制進(jìn)水閥打開或關(guān)閉，從而控制存儲(chǔ)罐的加水。當(dāng)實(shí)際水位低于設(shè)定的“低水位”時(shí)，進(jìn)水閥打開，向存儲(chǔ)罐內(nèi)加水。當(dāng)實(shí)際水位高于設(shè)定的“高水位”時(shí)，進(jìn)水閥關(guān)閉，停止向存儲(chǔ)罐加水。這一控制過程確保存儲(chǔ)罐中的水量保持在設(shè)定的范圍內(nèi)。

每個(gè)存儲(chǔ)罐安裝有3組電熱管，每組電熱管由1個(gè)交流接觸器控制。當(dāng)交流接觸器接通時(shí)，電熱管通電，進(jìn)行加熱；反之，電熱管停止加熱。安裝在熱水存儲(chǔ)罐出水管附近的溫度傳感器（每個(gè)存儲(chǔ)罐安裝2個(gè)溫度傳感器）將檢測(cè)到的水溫信號(hào)傳送至PLC，PLC將水溫實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較并輸出控制信號(hào)，以控制電源柜中的交流接觸器接通或斷開，從而控制各組電熱管。PLC對(duì)水溫的控制采用變形PID控制法，通過增減電熱管通電組數(shù)來控制存儲(chǔ)罐加熱功率。當(dāng)水溫較低時(shí)，存儲(chǔ)罐內(nèi)的全部電熱管均加熱，使水溫迅速升高。當(dāng)水溫升高至接近設(shè)定的“高水溫”值時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)電熱管通電的組數(shù)，使溫升變慢。當(dāng)水溫達(dá)到設(shè)定的“高水溫”值，所有電熱管停止加熱。上述控制過程可以比較準(zhǔn)確地控制存儲(chǔ)罐中的水溫保持在設(shè)定值。熱水系統(tǒng)流程圖如圖2所示[4]。

圖2 熱水系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

4 結(jié)語

將PLC和觸摸屏技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)，使操作簡(jiǎn)單、方便。水位、溫度可按照要求進(jìn)行控制，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性和效率，并能夠通過上位機(jī)觀察PLC工作情況和現(xiàn)場(chǎng)的工況，核定相關(guān)參數(shù)，操作靈活方便。