PLC和变频器在锅炉供暖控制系统中的应用

马孝琴,刘法治

（河南科技学院,河南新乡 453003）

目前在北方城市,供暖主要以燃煤、燃油和燃气锅炉为主要手段,为减少废气排放对大气环境造成严重污染,发展趋势是以单位分散性供暖改为以城市统一规划分区域集中供暖.由于投资大和城市发展不平衡等问题,在近期内,很难实现城市全区域集中供暖,所以单位分散性供暖仍将继续存在.而供暖锅炉控制技术很多仍采用继电接触器控制系统,这种控制系统存在着很多的缺点,如：体积大、机械触点多、接线复杂、可靠性低、排除故障困难等,同时锅炉供暖系统的循环和补水水泵控制采用传统的开环控制方式,这种运行方式存在以下缺点：室内供暖温度在上、下限之间波动,不能保证恒温供暖,影响供暖质量；循环水泵的拖动电机是恒速电动机,不能随室内温度变化而调节转速,严重地浪费电能；主循环水泵电机一直运转而备用循环水泵电动机却停止不用,不能轮休工作,易使循环水泵产生故障,降低使用寿命等[1].针对这一系列问题,采用PLC和变频控制技术,设计了锅炉供暖恒温控制系统,使主循环水泵电机和备用循环水泵电机轮换工作,以求达到控制方便、安全可靠、自动高效节能的目的[2].

1 系统结构组成及工作原理

1.1 系统结构组成

该系统主要是由西门子S7-200系列PLC、模拟量扩展模块EM235、变频器、水泵、电动机、温度传感器、液位传感器、压力传感器、电源控制柜、接触器、中间继电器、热继电器、空气开关、按钮以及控制线路等组成,系统结构组成如图1所示.

1.2 工作原理

系统提供手动/自动两种工作模式,具有现场控制方式,状态显示以及故障报警等功能.对原系统的控制电路进行改造时,保留原系统的手动控制功能,以备变频调速系统出故障时使用,在控制台上设有手动/自动选择的转换开关.在手动方式下,电动调节阀处于全开状态,循环水泵通过开关进行控制,不受出回水温差的影响.补水水泵也通过开关进行控制.为防止循环水泵电动机的疲劳运行,在任何状态下循环水泵电动机在累计运行设定时间后要切换至另一台循环水泵电动机运行.1#循环泵与2#循环泵可由二位开关转换.循环次数及定时时间可根据需要随机设定.

图2 电源、变频器、循环泵电机的主线路

报警信号均为声光形式.声报警（电笛）可用按钮解除,报警指示在故障排除后自动消失.

在自动方式下,本系统中具有供暖温度自动调节功,即根据室外温度变化,系统能自动调节使室内保持给定供暖温度.室外温度传感器采集温度信号,送入PLC,并与设定的温度相比,决定是否需要开启引风机、送煤机、点火开始供暖.当供暖系统启动运行,出回水温度传感器和室内温度传感器采集温度信号,经过PLC的智能扩展模块EM235进行模数转换,送入PLC进行计算,得出锅炉实际出回水温差数值、室内温度数值.把所得锅炉实际出回水温差数值送入PLC内置的PID调节器,经PID运算与给定目标温差参数及室内温度数值进行比较运算后,输出控制信号送给变频器[3],由变频器控制循环泵的转速来调节供暖系统管网中的热水流速,使室内采暖温度保持在给定温度内.在变频器中设定一个上限频率和一个下限频率,天气寒冷温度低时变频器输出升高频率,到上限频率,若采暖温度达不到设定值,PLC就加大鼓风量和送煤量或增加循环泵的数量；天气转暖温度高时变频器输出下降频率,到下限频率,若采暖温度仍高于设定值,PLC就减少鼓风量和送煤量或循环泵的数量.同时PLC也控制电机的起停、变频与工频的切换等,使系统管网的工作压力始终稳定,进而达到恒压供水的目的.工频与变频之间转换用交流接触器互锁来保证它的安全与可靠[4].变频器、水泵电机之间的主线路如图2所示.

1.3 补水控制部分

用高亮二极管与光敏三极管3DU配合检测水位,不透明悬浮物随水位而上下移动,其以安装在最下面的高亮二极管和三极管为例,来说明其检测水位的原理.实现方法如图3所示.当水位未到达安装位置时,高亮二极管发出的光就能透过玻璃管和水到达光敏三极管,此时光敏三极管就会导通；当水位到达安装位置时,不透明悬浮物就会挡住高亮二极管发出的光,此时光敏三极管不导通.用此方法来检测水位,当水位到达下限值,自动开启1#补水泵,当水位到达下下限值,报警系统开启,2#补水泵开始工作,两台补水泵都故障时整个系统断电,系统停止工作.当水位值到达上限值时,自动关闭1#补水泵,当水位值到达上限值时,系统报警,并使1#补水泵控制系统断电,停止工作.

1.4 循环泵部分

在循环系统中,锅炉出水温度和回水温度的差称为锅炉温差.温差升高,表明锅炉产生的热量增多,需要循环泵将热量及时送给供暖负荷；锅炉温差降低,表明锅炉燃烧系统产生的热量减少,循环泵的转速也应随之减小,以避免能源浪费.对循环泵通过PID调节完成恒温差的闭环控制,以锅炉的实际温差作为PID的反馈,以目标温差作为PID的给定,PID的输出作为变频循环泵的频率运行信号.循环泵转速增减,随锅炉燃烧系统产生的温差而动态闭环调节,从而使室内保持给定供暖温度[5].在锅炉燃烧的初始阶段因出回水温差为0,即给定值大于反馈值,循环泵不运行,随着锅炉产生热量的增加,出回水温差增加,当其超过给定温差值时,1#循环泵开始工作.当1#循环泵出现故障时,出回水温差特别大,循环系统故障报警,2#循环泵投入使用.被替代的泵在循环顺序中可以自动跳过,顺沿循环.循环框图如图3所示.

图3 水位检测实现方法

图4 循环控制流程

2 硬件电路设计

2.1 PLC及扩展模块的选用

在满足控制要求的原则上,尽量降低成本,PLC选用西门子公司的S7-200系列的CPU226CN为主机,它有24／16共40个数字量I/O点,2路独立的20 kHz高速脉冲输出,16 k字节程序和数据存储空间,内置有PID控制器.1个RS-485通讯/编程口及多种通讯协议,数据设定值、信号数据读取、数据转换处理、控制信号输入输出等由PLC来实现.数据设定值包括压力上下值、水位上下值及频率上下值等,信号数据读取包括读取水压、水位、频率、变频泵号,频率工频台数等,控制信号输入输出包括5部分：起动、运行、停止、切换、报警及故障自诊断.

本设计扩展模块选用2个EM235模拟量输入模块,它是A/D转换模块,具有4个模拟量输入和1个模拟量输出,12位A/D输入信号是由多路开关依次采集的,所使用的数值是数字滤波器求取采样值的平均值.温度传感器的输出信号,经过变送器调理和放大处理后,成为0～5 V的标准信号,EM235模块自动完成A/D转换；同时扩展了1个EM223的数字量输入/输出模块,它有4/4共8个I/O点,作用是提供附加的输入/输出点,这样完全可以满足系统的要求[6].

2.3 变频器的选择

在满足系统改造控制要求的情况下,变频器选用了西门子公司的产品,该变频器采用MM430节能型模块,可大大降低电机高频噪声,减少对电网的污染,同时也能降低水泵电机温升[2].其保护及报警功能完善,可以进行实时控制,内置有RS-232通讯接口.

2.4 传感器的选择

在系统中用到了温度传感器、水位传感器、压力传感器.

采用温度传感器PT100检测温度,它是一种稳定性和线性都比较好的铂丝热阻传感器,可以工作在-200～650℃的范围.采用光敏三极管检测水位用高亮二极管与光敏三极管3DU配合检测水位[7].采用MS3系列压力变送器检测压力,它产生具有压力范围广、耐磨损、抗冲击及耐腐蚀等突出特点,能在严寒地区及高温地区长期工作.

2.5 调节阀配置

电动调节阀选用西门子的VVF592.该电动调解阀的额定冲程20mm的法兰二通阀PN25,适用于开路或闭路中的低压热水,生活热水,高压热水,热油,饱和或过热蒸汽,介质温度为1～220℃.手动调解阀采用上海良工品牌的铸钢涡轮蝶阀.

3 软件设计

3.1 I/O口分配

冷却恒压供水控制系统的设计主要涉及到15个数字量输入和5个模拟量输入,18个数字量输出和1个模拟量输出.设置6个操作键、6个开关量传感器、2个开关量开关和5个模拟量传感器作输入信号；这6个操作键包括：启动开关、停机开关、自动/手动转换开关、报警解除开关、2个在手动控制下控制循环泵运行开关；6个开关量传感器包括：2个为反映拖动循环泵的电机堵转故障的热继电器开关信号,4个为反映水位高、低开关信号；2个反映变频器上、下限频率开关信号；4个用于测量温度值的模拟量输入信号和1个用于测量锅炉气压值的模拟量输入信号.其具体的输入输出地址分配如表1所示.

表1 PLC的I/O地址分配

3.2 程序设计

在PLC的主程序中含10个子程序,大致可以分为4大部分：初始化部分、循环泵部分,补水泵部分,温度控制部分和故障报警部分,其主程序流程如图5所示,主程序和子程序梯形图略.

图5 程序流程

4 结语

本文利用PLC控制技术和变频调速技术,针对某单位供暖锅炉控制系统进行节能技术改造,设计了锅炉供暖恒温控制系统,经模拟仿真和现场设备试运行,运行结果表明,该控制系统不但提高了设备的可靠性和稳定性,设备操作容易和维护方便,延长设备使用寿命；而且实现锅炉恒温供暖,自动高效节能的目的,对类似工业设备控制系统节能改造,具有一定推广应用的价值.

[1]彭桂力,刘知贵.集中供热锅炉控制系统的PLC控制[J].电力自动化设备,2006（9）：75-77.

[2]石玉明,谭立新.基于S7-200的变频调速恒压供水系统[J].微计算机信息,2006,22（1）：114-116.

[3]郭云平,伍红泽,苏清峰,等.变频调速技术在河南油田供水系统的应用[J].电气传动,2009,39（7）：66-68.

[4]文丽松.PLC和变频器在矿山空气压缩机改造中的应用[J].采矿技术,2008,8（5）：70-71.

[5]甘方成,刘百芬,吕福星.空气压缩机节能分析及其控制系统的设计[J].工矿自动化,2009（3）：72-74.

[6]丁纪凯,许逸舟.基于PLC和现场总线的污水处理系统[J].机电一体化,2006（1）：80-83.

[7]王永平,陈建华.基于S7-200PLC的高性能电热锅炉控制系统[J].仪表技术与传感,2002,7（3）：21-23.