基于PLC控制技術的換熱站系統設計

李 煒，余延磊

（吉林工程技術師范學院 電氣工程學院，長春 130052）

0 引言

隨著科學技術的不斷進步，現代化生活設備得到很大的改善，換熱站也經歷著一次又一次的技術升級，供暖功能不斷完善，為人民提供更好的基礎生活保障。但目前換熱站依然存在眾多問題。例如，當前供暖系統的管理工作還存在較大缺陷，主要依靠傳統落后的人力進行管理，而目前大多數人員的節能降耗意識較差，容易忽略甚至缺少節能環節，在一定程度上增加了不必要的資源浪費。采用人力進行管理，每2 ～3 天就需要對換熱站設備進行一次維護檢查，需要大量的人力資源，所以現代換熱站不但浪費人力資源，還使供暖系統的工作效率得不到顯著提高[1]。

針對以上問題，提出建造智能自動供暖系統的方案。本系統以PLC 為控制核心，加以變頻器對電機的變速控制，依據換熱站現場狀態信息、換熱站內外溫度乃至天氣情況等因素自動完成對室內溫度的調控，從而實現供暖無人化、智能化，能夠有效解決之前出現的人力資源和能源的浪費，保證了換熱站快速安全的運行，極大提高供暖系統的工作效率。

1 換熱站結構及原理

1.1 換熱站工作原理及改進方法

圖1 改造后換熱站的結構圖Fig.1 Structural diagram of heat exchange station after transformation

圖2 分階段改變流量的質調節方式的控制原理圖Fig.2 Control schematic diagram of quality control mode of changing flow in stages

圖3 利用變頻調速技術進行補水定壓的結構圖Fig.3 Structure diagram of water supply and constant pressure by using frequency conversion speed regulation technology

供暖系統分為一次網絡和二次網絡，換熱站就是兩個網絡的中間樞紐。其工作原理為：換熱站接收來自火電廠等熱源輸送過來的熱水，將熱水與循環水混合后，再次通過網管輸送給用戶，這樣熱能就被傳遞到了用戶處。由于熱能在輸送和用戶處會不斷消耗，所以要不定時利用循環水泵將用戶處熱水送回換熱站，換熱站中的換熱器再次將其加熱循環使用。因此，換熱站就是利用供水和回水之間的溫差達到給用戶供暖的目的。這個過程基本憑借工作人員的實際經驗進行手動調節，具有較強的主觀因素，容易增大能耗的浪費。

現對換熱站進一步改造升級，主要是在其結構上增加了調節和控制設備，讓換熱站的運行調節更加科學合理，在為用戶正常供暖的前提下，把能源的利用率提到最高。改造后換熱站的結構如圖1 所示。

改造之后的換熱站，其優點主要在：可以利用PLC 的信息處理和變頻器對電機的調速功能，實現溫度和循環水量的自動調節，不再需要人為的操作，更加安全可靠。

1）溫度的調節控制

傳統二級水熱交換器的溫度由人工進行測量和計算，當工作量過大時，二次供水的溫度很難保證在合適值附近。本系統提出用PLC 作為溫度的檢測和控制器，設定一個合適的溫度值，溫度傳感器直接將溫度信號傳給PLC，可以及時做出合理的溫度調節控制，保證了二次供水溫度始終穩定在給定值附近。

2）循環水量的調節控制

在供暖系統的正常運行過程中，供暖負荷會隨著一些外部因素的變化而改變，如室外溫度。如果室外溫度偏高，卻仍然按照預先設計的供暖負荷進行加熱，就會浪費掉一部分資源，這時候應該降低供暖負荷，所以本系統提出分級改變流量的方法進行調節。

如圖2 所示。設定一個固定溫度值T0，循環水泵的工頻運行為f0，以此為參考標準。當T ≥T0時，循環水泵實際運行頻率f=f0；當T ＜T0時，循環水泵實際運行頻率f=0.75×f0。

3）補水定壓方式的改進

對于管道內水的壓力，人力控制的精度不高，很難達到恒壓供水。所以采用變頻器恒壓供水的方法對其進行完善，如圖3 所示。

壓力傳感器把管內水的壓力信號P 傳遞給調節器，調節器把P 與設定好的固定壓力值P0進行對比，將比較結果傳給變頻器[2]，變頻器根據比較結果的不同而對水泵進行相應的轉速調節。當P ＜P0時，變頻器驅使水泵轉速加快；當P=P0時，變頻器驅使水泵轉速保持不變；當P ＞P0時，變頻器驅使水泵轉速減慢。

1.2 換熱站的節能分析

下面是水泵轉速與揚程、流量、軸功率的關系變化圖，如圖4 所示。

設水泵原來的轉速為n0，原來的耗電量為W0；通過變頻器調速后的轉速為n，耗電量為W。當n=n0×80%時，W=W0×51.2%；當n=n0×50%時，W=W0×12.5%。由以上數據可以看出，通過變頻器對水泵的無級調速，可以節省出相當可觀的一部分電能。

2 硬件系統設計

2.1 硬件系統結構設計

基于PLC 的換熱站系統組成如圖5 所示。

圖4 水泵流量、揚程和軸功率與轉速關系圖Fig.4 Relationship between pump flow, head, shaft power and speed

圖5 硬件系統框圖Fig.5 Hardware system block diagram

該硬件系統主要由PLC，含特殊功能模塊A/D，D/A；換熱器、液位傳感器、管網壓力表；變頻器[3]；水泵機組、管道、相關低壓電器等組成。

PLC 作為本系統的主控制器，接收來自各種傳感器、外部控制開關和變頻器的信號；電器組負責PLC 與變頻器、水泵機組之間的信號傳遞與轉換；變頻器驅動機組工作并保持和PLC 的信號交換；機組作為最終的執行機構，對供暖系統整個管道內的熱水進行調動。

PLC 接收系統各個部分傳來的信號后，經過自身內部的程序運算，輸出對應的數字量給電器組、對應的模擬量給變頻器。然后通過變頻器控制機組，進行供暖熱水的循環。管道上的壓力傳感器及時反饋壓力信號給PLC，PLC再根據液位、壓力等傳感器傳送過來的信號，對供暖系統做出相應的調節，如補水、冷凝、污水處理等。

2.2 換熱站供電設計

由于換熱站在供電系統中屬于三級負荷，直接從外部電網引入進電線作為電源即可。本文采用的是380V 低壓電路，所有水泵機組均為三相電機。地線的接線采用TN-S接線方式，即把零線和設備地線獨立分開，可以有效提高裸露金屬外表設備的安全性，最大程度上削減對人員的安全隱患。控制線路使用常見的放射式接線法，保證控制電路和主電路之間的互不干擾，提高系統供電的方便性和穩定性。

3 軟件系統設計

3.1 啟動程序

程序開始啟動運行，當液位傳感器檢測到水位符合預先設定的要求時，PLC 給變頻器開始驅動1#水泵緩慢運行的信號，此時PLC 也會收到來自壓力傳感器的壓力信號，經過對壓力信號的運算給出變頻器適當的輸出頻率。如果檢測到管道供水壓力不夠，則頻率上升至最高頻率50Hz。一段時間后，1#水泵改為工頻運行，變頻開始啟動2#水泵，增加2#水泵的頻率，直到供水壓力達到目標值。2#水泵仍達不到目標壓力值，就依次類推增加水泵。

3.2 水泵切換程序

1）循環泵控制

本系統中循環水泵共3 臺，一般情況只會用到兩臺，另一臺作為備用使用。如果循環水泵出現故障能及時補上，運行的兩臺循環水泵由變頻器依次啟動。設計手動/自動均可控制循環水泵，只有在自動控制狀態下，循環泵可以3 臺電機一起運行。

2）補水泵控制

本系統中循環水泵共兩臺，一臺正常運行，一臺作為備用。PLC 接收來自管道的壓力信號后，輸出合適的信號給變頻器，變頻器驅動補水泵運行，讓管道壓力處于一個合適的數值，保證供水的正常進行。

3）冷凝泵和污水泵控制

本系統中冷凝泵和污水泵各有3 臺，具體需要幾臺泵運行根據實際情況而定。當需要多臺泵運行時，需要變頻器逐一啟動，一次只能啟動一臺。當需要進行冷凝（污水）處理時，要先讓變頻器通上電，按下啟動按鈕后，控制柜上的指示燈被點亮[4]，變頻器開始驅動冷凝（污水）泵工作。如果一臺泵不夠用，就依次啟動剩余的泵，直到冷凝（污水）工作達到理想狀態。

4 結束語

綜上所述，本文對于現今換熱站能耗浪費較大的問題，重新設計出一項高效節能的自動調節換熱站，利用PLC 和變頻器實現換熱站的自動調節，提高了資源調度和節約復用的效率，為供暖系統提供了充分的全方位的安全保障，實現了管理的自動化和簡易化，更加便于統一調度管理，值得推廣。