PLC控制在供热系统中的节能应用探讨

张侃

（神华国能天津大港发电厂有限公司，天津 300272）

在微电子技术和信息技术的快速发展下，PLC控制技术水平不断提高，适用范围更加广泛。在PLC控制技术的应用下，有效改变了传统的粗放式工业生产模式，通过采取一定的编程算法，实现对电气系统的自动化控制，根据实际需要改变输出，减少不必要的能耗，获得了显著成果。在供热系统节能方面的应用是PLC控制技术的一个重点应用方向，但目前供热系统的整体自动化控制水平还较低，有必要加快相关研究，促进研究成果向实际应用成果的转换。本文结合我公司的供热设备，对PLC控制的供热系统进行了研究说明。

本文根据ERA-Interim 6小时降水数据处理成的日值降水数据，从气候态空间分布特征、变化趋势和波动特征出发分析总降雨量、对流型降雨量和大尺度降雨量的空间差异特征，得出如下主要结论：

1 PLC控制技术在供热系统节能中的应用基础

PLC自动化控制技术是在传统的顺序控制器基础上，通过采用微电子技术、先进的计算机和通讯技术，以及自动控制技术，设计并实现一套完整的工业控制装置，达到对电气系统进行自动化控制的目的。目前PLC控制在工业中的应用，已经能够取代传统系统中的技术顺序控制器、继电器、计时器、执行逻辑组件等功能，建立一套新型的软件控制系统，具有更强的通用性、可靠性和抗干扰性。而且PLC控制的编程实现较为简单，为其大范围应用奠定了良好基础。PLC控制器的内部运行方式一般采取循环扫描方式，在大中型PLC控制器中，也会使用到中断运行方式。完成初始的程序编程和调试工作后，可以将编程器程序写入PLC存储器中，接受现场输入信号，连接执行元件，通过输入端和输出端的运行，实现PLC自动化控制。同时也支持控制模式的切换，可在特殊情况下进行手动控制。PLC硬件系统主要由微处理器、电源组件、输入和输出模块、存储器等部分组成。目前市场上的这些产品种类繁多，价格较低，为PLC控制技术在工人系统节能中的应用提供了有利条件，可以有效降低供热系统优化调整过程中的成本投入。

2 供热系统节能应用中的供热模式选择

（1）现行供热模式。传统供热换热站的一次网系统主要由电动调节阀、压力传感器、电动执行器、流量传感器和相关控制软件组成。在其运行过程中，需要根据实际的使用需求，对供热温度进行调节，一般采用人工控制方法，将实际供水温度需求与设定供水水温进行比较，如果不满足供水温度要求，则调整电动调节阀门，从而改变换热器的一次侧水流量，达到对水温进行调节的目的。在一次侧水流量改变后，二次侧热交换器的出口水温可以达到设定值。要实现自动控制，需要合理设计室外温度、二次网供水温度的关系计算公式，从而设计合理的电动调节阀门调节算法，以确保用户侧的实际供应水温达到供暖要求。但是从传统供热模式的实际运行情况来看，各换热站和热网之间由于不是并联连接方式，在换热站操作过程中，存在相互耦合作用。也就是说，在一个换热站的阀门调节过程中，其他换热站电动阀门也会随之动作，由此会导致在各换热站以及热网中产生较长的时间振荡。如果室外温度变化较大，引发热负荷的剧烈变化，热源无法及时作出调整，这种振荡现象甚至会导致系统无法正常工作。

（2）基于PLC技术的科学供热模式。针对我公司目前PLC控制供热系统存在的不完善之处，可以在现有系统的基础上，引入新型PLC控制技术，构建新的供暖模式，实现自动化控制目标。一般情况下，环境平均气温不会出现剧烈变化，对于气温升降差异不大的情况，供热过程可以用周期函数进行表示，即Qt=Q（t-NT），其中，Qt表示气温变化不大时相邻几日的供热周期函数，t表示时间变量，T表示周期天数，N表示周期数。在一个取暖季内，整个供暖周期可以看做是由多个稳定的天气变化区间和若干个突发寒暖流区间所组成。可在现有系统中，通过采用温度传感器，实现温度参数的自动采集，由环境气温的变化情况确定的供热量函数，可采用下述计算式进行计算：Qt=Qt0=（tn-t0）/（tntw）×q×s。其中，t0是1天内实测环境温度，单位为℃，tn是设计的室内供热温度，单位为℃，tw为设计的计算温度，q为热指标，s为供热面积。在这种供热方式下，利用PLC控制技术进行自动调节，可以有效解决上述问题。

3 PLC控制技术在供热系统节能中的具体应用方案

周博士：话虽如此，不过要求中小学教师发表论文，也是为了提高教师的研究能力、让教师能够更好地胜任高一级职称的工作啊！

（1）基于PLC控制技术的供热模式调整思路。传统供热模式的主要缺点是无法对温度变化及实际供暖需求做出快速响应，采用基于PLC控制技术的供热模式，则能够解决这一问题。但是从实际的供热情况来看，许多供热部门的供热模式运行原理与上述提到的科学供热模式正好相反。主要是利用每天夜间最低气温时的供热量需求作为供应标准，看似平稳的供热模式，会因连续温差变化引发失控问题，而且不分昼夜进行“漫灌”，也会造成大量的能源浪费。一般情况下，每天的最高气温和最低气温之间都会出现10℃左右的温差变化，而供热输出始终保持最大输出量，则会浪费大量能源，在热网不平衡下，如果要进行热源升温，产生的能源浪费问题则会更加严重。因此，必须改变这种供热思路，关注于供热需求的实际变化。特别是在目前实施的热电联产模式下，必须加快对传统供热模式的调整。在此方面，引进新型PLC控制技术，充分发挥其自动化调节和控制功能，可以为供热模式的转变提供技术保障。

（2）利用PID参数实现模糊控制。通过对供热系统运行模式中的一次网供热机制进行分析可知，在一次网供热中心的热源供水过程中，换热站的主要功能是通过热交换，将热量送到用户侧，满足其采暖需求。在一个供热区域内，采用PLC控制技术，对供热系统运行模式进行调节的实际执行装置是变频器和调节阀，其供热效果则主要受控制精度的影响。为了充分满足在天气变化情况下的供热系统调节响应速度要求，可采用PID参数对PLC控制器进行模糊处理，通过将PID参数代入到模糊域，使用模糊控制算法，满足供热系统调节的实际需求。其核心控制语句采取“if then”形式，根据每一步的调节需要，设置参数指令值。在控制方案设计过程中，需要对4个控制变量设计3个子集，以实现对误差的测量，并将变量控制在设定值附近。这3个误差子集分别为小负（NS）、小正（PS）和零（ZE）集。此外，在系统设计过程中，还为输出变量设定了5个子集，以适应4个控制变量的不同组合形式。这5个描述控制变量变化的子集除了上述3个子集外，还包括中负（NM）和中正（PM）集。通过在PLC控制编程中设计这些子集，可以实现对调节快慢参数的更改，从而实现模糊控制功能。在PID变参数调节运行方式下，控制器输出效率和热量均衡性均能够达到较高的水平，从而充分满足供热系统运行的实际需要。

第二，在充分利用自然的过程中，尽量克服盲目性。在开发利用自然资源的过程中，要采用科学的手段和方法，正确看待人与自然之间的和谐关系，避免形而上学，破坏人与自然之间的良好关系，实现人与自然之间的和谐持续性。当然，在建设新事物的同时，必然伴随有各种各样的问题，人们无法阻止问题的发生，但是有能力及时解决问题，防止恶性事态的发展扩大，即使有环境破坏的问题出现，也必将之扼制。马克思曾经预言：生态文明化必然成为人类社会未来发展的一个基本方向。马克思指出：“在工业中向来就有那个很著名的‘人和自然的统一’，而且这种统一在每一个时代都随着工业或慢或快地发展而不断改变。”

（3）根据实际热量需求，调节供热输出。从上述分析可见，PLC控制技术在供暖系统运行过程中的应用，可以对环境变化情况进行实时测量，依靠传感器和网络通信功能，做到对实际供暖需求的及时掌握。在此基础上，通过采用模糊控制算法，实现供热量的按需输出，从而减少在供暖系统运行过程中产生的不必要的能源浪费问题。我国是一个能源大国，但是人均能源占有量明显低于世界人均水平。供暖季的能源消耗十分巨大，在一定程度上加剧了不可再生能源的消耗。因此，采用PLC控制技术对供暖系统运行方式进行优化和改进十分必要，在其根据实际热量需求的调节模式下，每天可以节省的能源数量就十分可观，整个供暖季能够节省的能源十分巨大。因此，PLC控制技术在供暖系统运行中的应用，不仅可以帮助供暖部门节省供暖成本，还能够实现较高的社会效益。应积极促进PLC控制技术在供暖系统中的应用和推广，关注PLC技术的发展。目前PLC控制器正在向小型化和智能化的方向发展，技术提升的潜力较大，通过不断更新PLC控制设备，采取先进的控制算法，可以最大化发挥PLC自动化控制技术的作用，彻底改变以往供热系统能耗较高的状况，为供热稳定性和供热质量提供保障。

4 结语

综上所述，PLC控制技术在供热系统中的应用，对于提升供热系统的节能性有重要帮助。通过对PLC技术在供热系统中的应用原理和具体运行方式进行分析，可以明确其技术应用的方向，促进基于PLC控制的科学供热模式的应用推广。我公司在未来几年的供热中，可以参考新型PLC控制技术，对设备进行改进，有效解决传统运行模式中供热调节响应速度慢等问题，实现按需供应，提高用户的满意度。