基于PLC控制的智能供暖系统设计

谢 冲 郭 刚 冯巧丽 贺 锟

（山西大同大学教学实验与实训中心 大同 037009）

引言

目前我国供热主要分为两种形式，集中供热与分散供热。集中供热通过热电站、区域锅炉房等设施产生热源，通过热力网以水暖的形式将热能送入千家万户。分散供热则是通过小型锅炉、热泵、家用电热器等产生热能进行供热。集中供热可以全天不间断供热，并且相比其他取暖方式，其运行费用较低。但通过热电站等设施以煤为燃料产生热能的过程中会造成一定的环境污染。同时集中供暖能耗高，热效率低，浪费能源，并且有明显的时间周期限制与地域限制。每年供暖期起止时间较为固定，集中供暖来临和结束后无法再进行采暖。以秦岭淮河为分界线，北方有集中供暖而南方没有。传统煤改电供暖大多采用分散供暖。分散供暖形式灵活多样，更适合供热要求不同的居民进行个性化选择。但在日常使用中，无论是中央空调供暖还是壁挂炉、普通电热器等采暖方式都有热效率差，使用成本高等缺点。蓄热式电暖器在一定程度上缓减了这些问题[1]。本文通过设计一种基于PLC控制的智能供暖系统，采用蓄热式电暖气作为供暖设备，进一步降低能耗，节约使用成本，以达到经济运行的目的。

1 蓄能式电暖器的工作原理

传统蓄热式电暖器结构由蓄热体、保温板、钢板外壳、电加热管构成。在夜间电价相对较低的时段，通过电加热管通电加热，并使蓄热体储热以完成供暖蓄热过程。在白天和夜间蓄热体可以持续性放热以达到24 h不间断供热的状态，保证供暖效果。

2 基于PLC控制的智能供暖系统

2.1 基于PLC控制的智能供暖系统设计

设计开发一个基于PLC控制的智能供暖系统，以西门子 PLC 作为控制核心,在传统蓄热式电暖器的结构中增设太阳能电池板以及蓄电池组作为辅助供电装置，白天将太阳能转化的电能进行存储，夜间优先使用蓄电池组中的电能，之后再使用居民用电进行蓄热供热[2]。通过温度传感器实时读取室内温度数据，通过电流变送器和电压变送器实时读取蓄电池组剩余电量数据，数据传输到PLC,组态画面实时显示时间、室内温度与蓄电池组剩余电量参数，若出现故障及时报警并实施保护。

根据所需室温设置温度定值，白天太阳能电池发出的电能全部储存在蓄电池组中，当光照较强室温高于或等于温度设定值时，蓄热式电暖器电加热管不工作。当温度下降到设定值以下时，蓄热式电暖器电加热管开始工作并蓄热。夜间电暖器优先使用蓄电池组的储电供热，当蓄电池组储能降到预设值时使用谷段低价市电开始充电并供热。蓄电池组设定预设值是为了保证夜间未充电且在第二天日照不足太阳能发电受限的情况下，蓄热式电暖器可维持8 点到22 点间室温达到设定值。

2.1.1 基于PLC控制的智能供暖系统硬件设计

如图1所示，整个系统由PLC、太阳能电池板、蓄电池组、电压变送器、电流变送器、蓄热式电暖器以及温度传感器组成。触摸屏连接PLC实现系统的运行和监视功能。通过分析电压变送器、电流变送器、温度传感器采样提取的数据，由S7-200 SMART、总开关按钮控制太阳能电池板、蓄电池组、市电进线以及蓄热式电暖器的工作方式。系统选用蓄热式电暖气功率为1 600 W，蓄热时长为（6～8）h，电加热管电阻值为30 Ω。蓄电池组选用4块额定电压为直流12 V容量为800 AH的光伏储能胶体蓄电池与匹配规格逆变器。太阳能电池板选用8块600 W单晶太阳能板。系统程序内设定蓄电池组预设电量58 %（22.4 kwh1867 AH）与温度设定值25 ℃。触摸屏通过以太网线与PLC相连接，数据传输通过TCP/IP通讯协议实现[3]。

图1 智能供暖系统结构图

2.1.2 电气系统设计

如图2所示，电气系统由交流220 V电源、空气开关、太阳能电池板、蓄电池组、温度传感器、电流变送器、电压变送器、直流24 V开关电源、S7-200 SMART、模拟量扩展模块EMAE04、电暖器发热电阻、控制按钮、报警灯组成。各种传感器通过直流24 V开关电源供电。系统总开关按钮接PLC的开关量输入接点。温度传感器1、温度传感器2和温度传感器3、电压变送器、电流变送器接PLC的模拟量输入接点。PLC有8个输出接点，分别接7个开关继电器线圈和系统故障报警灯。实现蓄热式电暖器智能、高效、灵活的投入使用。

图2 智能供暖系统电气原理图

图3 智能供暖系统组态画面

图4 智能供暖系统组态监控画面

2.2 软件系统设计

2.2.1 组态画面设计

如图 3 所示，为智能供暖系统组态画面，主界面显示各房间实时温度信息、蓄电池剩余电量信息、电暖器工作状态信息以及系统故障信息和时间信息。整个系统的启动、停止可通过主界面上的启动和关机按钮控制。需要查阅报警显示与数据曲线时可以通过图表界面按钮切换。

2.2.2 数据库点参数设置

如图5所示，根据系统实际的控制要求，建立相应的数据库点。在力控软件中，设置数据库点参数并进行保存和数据连接。

图5 智能供暖系统数据库点参数设置

2.3 智能供暖系统程序设计

设计如图6所示的智能供暖系统控制流程[4]，并按照控制流程编写PLC控制程序，使智能供暖系统具备多种工作模式。

图6 智能供暖系统控制流程图

系统工作模式如下：

1）自检模式：系统上电，PLC开始自检，若发现软件或硬件存在故障情况，报警灯闪烁且闭锁启动开关，此时维护人员可做相应检修操作。若PLC自检结束未发现故障情况则系统正常工作。

2）待机充电模式：时间处于8点到20点之间，室内温度值高于或等于当前温度设定值，蓄热式电暖器电加热管处于待机状态。市电充电开关KM6断开，蓄电池组供电开关KM7断开、总开关KM1断开，太阳能充电开关KM5闭合，蓄电池组充电。

3）日间充电工作模式：时间处于8点到20点之间，室内温度值低于当前温度设定值，蓄热式电暖器电加热管通电加热。市电充电开关KM6断开，蓄电池组供电开关KM7闭合、总开关KM1断开，太阳能充电开关KM5闭合，蓄热式电暖器工作开关闭合、蓄电池组充电的同时向蓄热式电暖器供电。

4）非充电工作模式：时间处于20点到8点之间，蓄电池电压高于或等于设定值，即蓄电池剩余电量大于或等于设定值，蓄热式电暖器电加热管通电加热。太阳能充电开关KM5断开，蓄电池供电开关KM7闭合，市电充电开关KM6断开，总开关KM1断开，蓄热式电暖器工作开关闭合，蓄电池组向蓄热式电暖器供电。

5）夜间充电工作模式：时间处于20点到8点之间，蓄电池电压低于设定值，即蓄电池剩余电量小于设定值，蓄热式电暖器电加热管通电加热。太阳能充电开关KM5断开，蓄电池供电开关KM7断开，市电充电开关KM6闭合，总开关KM1闭合，蓄热式电暖器工作开关闭合，市电向蓄热式电暖器供电。此模式下蓄电池组充电直至充满或充电到达8点，因蓄电池设定预设值可维持8点到22点间室温达到设定值，既蓄电池充电时间为谷段低电价时间。

6）系统正常运行时，温度传感器、电流变送器和电压变送器采集实时数据传输给 PLC，PLC 上传给触摸屏，记录相关数据并保存。通过显示窗口，可显示数据实时曲线图和报警信息。

3 应用前景

本文以三房间房屋为研究模型开展讨论，通过谷段低价电给蓄热式电暖器供电发热蓄热，以及用太阳能和蓄电池组辅助供电以达到经济运行的目的[5]。该系统前期投入资金较大，但拓展到小区、写字楼等大规模供热区域后，长期运行能节约较多费用。

4 结语

目前集中供暖存在供暖效果不理想、污染环境、大量消耗化石燃料和不可再生煤炭资源的问题。而传统煤改电供暖又因成本高昂难以大面积实行。以谷段低价电能供电，用太阳能发电辅助供电，再通过PLC控制的智能供暖系统的发展前景十分可观，可为未来居民或企业采购取暖设备提供新的选择。