基于PLC控制技术的换热站系统设计

李 炜，余延磊

（吉林工程技术师范学院 电气工程学院，长春 130052）

0 引言

随着科学技术的不断进步，现代化生活设备得到很大的改善，换热站也经历着一次又一次的技术升级，供暖功能不断完善，为人民提供更好的基础生活保障。但目前换热站依然存在众多问题。例如，当前供暖系统的管理工作还存在较大缺陷，主要依靠传统落后的人力进行管理，而目前大多数人员的节能降耗意识较差，容易忽略甚至缺少节能环节，在一定程度上增加了不必要的资源浪费。采用人力进行管理，每2 ～3 天就需要对换热站设备进行一次维护检查，需要大量的人力资源，所以现代换热站不但浪费人力资源，还使供暖系统的工作效率得不到显著提高[1]。

针对以上问题，提出建造智能自动供暖系统的方案。本系统以PLC 为控制核心，加以变频器对电机的变速控制，依据换热站现场状态信息、换热站内外温度乃至天气情况等因素自动完成对室内温度的调控，从而实现供暖无人化、智能化，能够有效解决之前出现的人力资源和能源的浪费，保证了换热站快速安全的运行，极大提高供暖系统的工作效率。

1 换热站结构及原理

1.1 换热站工作原理及改进方法

图1 改造后换热站的结构图Fig.1 Structural diagram of heat exchange station after transformation

图2 分阶段改变流量的质调节方式的控制原理图Fig.2 Control schematic diagram of quality control mode of changing flow in stages

图3 利用变频调速技术进行补水定压的结构图Fig.3 Structure diagram of water supply and constant pressure by using frequency conversion speed regulation technology

供暖系统分为一次网络和二次网络，换热站就是两个网络的中间枢纽。其工作原理为：换热站接收来自火电厂等热源输送过来的热水，将热水与循环水混合后，再次通过网管输送给用户，这样热能就被传递到了用户处。由于热能在输送和用户处会不断消耗，所以要不定时利用循环水泵将用户处热水送回换热站，换热站中的换热器再次将其加热循环使用。因此，换热站就是利用供水和回水之间的温差达到给用户供暖的目的。这个过程基本凭借工作人员的实际经验进行手动调节，具有较强的主观因素，容易增大能耗的浪费。

现对换热站进一步改造升级，主要是在其结构上增加了调节和控制设备，让换热站的运行调节更加科学合理，在为用户正常供暖的前提下，把能源的利用率提到最高。改造后换热站的结构如图1 所示。

改造之后的换热站，其优点主要在：可以利用PLC 的信息处理和变频器对电机的调速功能，实现温度和循环水量的自动调节，不再需要人为的操作，更加安全可靠。

1）温度的调节控制

传统二级水热交换器的温度由人工进行测量和计算，当工作量过大时，二次供水的温度很难保证在合适值附近。本系统提出用PLC 作为温度的检测和控制器，设定一个合适的温度值，温度传感器直接将温度信号传给PLC，可以及时做出合理的温度调节控制，保证了二次供水温度始终稳定在给定值附近。

2）循环水量的调节控制

在供暖系统的正常运行过程中，供暖负荷会随着一些外部因素的变化而改变，如室外温度。如果室外温度偏高，却仍然按照预先设计的供暖负荷进行加热，就会浪费掉一部分资源，这时候应该降低供暖负荷，所以本系统提出分级改变流量的方法进行调节。

如图2 所示。设定一个固定温度值T0，循环水泵的工频运行为f0，以此为参考标准。当T ≥T0时，循环水泵实际运行频率f=f0；当T ＜T0时，循环水泵实际运行频率f=0.75×f0。

3）补水定压方式的改进

对于管道内水的压力，人力控制的精度不高，很难达到恒压供水。所以采用变频器恒压供水的方法对其进行完善，如图3 所示。

压力传感器把管内水的压力信号P 传递给调节器，调节器把P 与设定好的固定压力值P0进行对比，将比较结果传给变频器[2]，变频器根据比较结果的不同而对水泵进行相应的转速调节。当P ＜P0时，变频器驱使水泵转速加快；当P=P0时，变频器驱使水泵转速保持不变；当P ＞P0时，变频器驱使水泵转速减慢。

1.2 换热站的节能分析

下面是水泵转速与扬程、流量、轴功率的关系变化图，如图4 所示。

设水泵原来的转速为n0，原来的耗电量为W0；通过变频器调速后的转速为n，耗电量为W。当n=n0×80%时，W=W0×51.2%；当n=n0×50%时，W=W0×12.5%。由以上数据可以看出，通过变频器对水泵的无级调速，可以节省出相当可观的一部分电能。

2 硬件系统设计

2.1 硬件系统结构设计

基于PLC 的换热站系统组成如图5 所示。

图4 水泵流量、扬程和轴功率与转速关系图Fig.4 Relationship between pump flow, head, shaft power and speed

图5 硬件系统框图Fig.5 Hardware system block diagram

该硬件系统主要由PLC，含特殊功能模块A/D，D/A；换热器、液位传感器、管网压力表；变频器[3]；水泵机组、管道、相关低压电器等组成。

PLC 作为本系统的主控制器，接收来自各种传感器、外部控制开关和变频器的信号；电器组负责PLC 与变频器、水泵机组之间的信号传递与转换；变频器驱动机组工作并保持和PLC 的信号交换；机组作为最终的执行机构，对供暖系统整个管道内的热水进行调动。

PLC 接收系统各个部分传来的信号后，经过自身内部的程序运算，输出对应的数字量给电器组、对应的模拟量给变频器。然后通过变频器控制机组，进行供暖热水的循环。管道上的压力传感器及时反馈压力信号给PLC，PLC再根据液位、压力等传感器传送过来的信号，对供暖系统做出相应的调节，如补水、冷凝、污水处理等。

2.2 换热站供电设计

由于换热站在供电系统中属于三级负荷，直接从外部电网引入进电线作为电源即可。本文采用的是380V 低压电路，所有水泵机组均为三相电机。地线的接线采用TN-S接线方式，即把零线和设备地线独立分开，可以有效提高裸露金属外表设备的安全性，最大程度上削减对人员的安全隐患。控制线路使用常见的放射式接线法，保证控制电路和主电路之间的互不干扰，提高系统供电的方便性和稳定性。

3 软件系统设计

3.1 启动程序

程序开始启动运行，当液位传感器检测到水位符合预先设定的要求时，PLC 给变频器开始驱动1#水泵缓慢运行的信号，此时PLC 也会收到来自压力传感器的压力信号，经过对压力信号的运算给出变频器适当的输出频率。如果检测到管道供水压力不够，则频率上升至最高频率50Hz。一段时间后，1#水泵改为工频运行，变频开始启动2#水泵，增加2#水泵的频率，直到供水压力达到目标值。2#水泵仍达不到目标压力值，就依次类推增加水泵。

3.2 水泵切换程序

1）循环泵控制

本系统中循环水泵共3 台，一般情况只会用到两台，另一台作为备用使用。如果循环水泵出现故障能及时补上，运行的两台循环水泵由变频器依次启动。设计手动/自动均可控制循环水泵，只有在自动控制状态下，循环泵可以3 台电机一起运行。

2）补水泵控制

本系统中循环水泵共两台，一台正常运行，一台作为备用。PLC 接收来自管道的压力信号后，输出合适的信号给变频器，变频器驱动补水泵运行，让管道压力处于一个合适的数值，保证供水的正常进行。

3）冷凝泵和污水泵控制

本系统中冷凝泵和污水泵各有3 台，具体需要几台泵运行根据实际情况而定。当需要多台泵运行时，需要变频器逐一启动，一次只能启动一台。当需要进行冷凝（污水）处理时，要先让变频器通上电，按下启动按钮后，控制柜上的指示灯被点亮[4]，变频器开始驱动冷凝（污水）泵工作。如果一台泵不够用，就依次启动剩余的泵，直到冷凝（污水）工作达到理想状态。

4 结束语

综上所述，本文对于现今换热站能耗浪费较大的问题，重新设计出一项高效节能的自动调节换热站，利用PLC 和变频器实现换热站的自动调节，提高了资源调度和节约复用的效率，为供暖系统提供了充分的全方位的安全保障，实现了管理的自动化和简易化，更加便于统一调度管理，值得推广。