PLC和變頻器在鍋爐供暖控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

馬孝琴,劉法治

（河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng) 453003）

目前在北方城市,供暖主要以燃煤、燃油和燃?xì)忮仩t為主要手段,為減少?gòu)U氣排放對(duì)大氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染,發(fā)展趨勢(shì)是以單位分散性供暖改為以城市統(tǒng)一規(guī)劃分區(qū)域集中供暖.由于投資大和城市發(fā)展不平衡等問(wèn)題,在近期內(nèi),很難實(shí)現(xiàn)城市全區(qū)域集中供暖,所以單位分散性供暖仍將繼續(xù)存在.而供暖鍋爐控制技術(shù)很多仍采用繼電接觸器控制系統(tǒng),這種控制系統(tǒng)存在著很多的缺點(diǎn),如：體積大、機(jī)械觸點(diǎn)多、接線復(fù)雜、可靠性低、排除故障困難等,同時(shí)鍋爐供暖系統(tǒng)的循環(huán)和補(bǔ)水水泵控制采用傳統(tǒng)的開環(huán)控制方式,這種運(yùn)行方式存在以下缺點(diǎn)：室內(nèi)供暖溫度在上、下限之間波動(dòng),不能保證恒溫供暖,影響供暖質(zhì)量；循環(huán)水泵的拖動(dòng)電機(jī)是恒速電動(dòng)機(jī),不能隨室內(nèi)溫度變化而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,嚴(yán)重地浪費(fèi)電能；主循環(huán)水泵電機(jī)一直運(yùn)轉(zhuǎn)而備用循環(huán)水泵電動(dòng)機(jī)卻停止不用,不能輪休工作,易使循環(huán)水泵產(chǎn)生故障,降低使用壽命等[1].針對(duì)這一系列問(wèn)題,采用PLC和變頻控制技術(shù),設(shè)計(jì)了鍋爐供暖恒溫控制系統(tǒng),使主循環(huán)水泵電機(jī)和備用循環(huán)水泵電機(jī)輪換工作,以求達(dá)到控制方便、安全可靠、自動(dòng)高效節(jié)能的目的[2].

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

該系統(tǒng)主要是由西門子S7-200系列PLC、模擬量擴(kuò)展模塊EM235、變頻器、水泵、電動(dòng)機(jī)、溫度傳感器、液位傳感器、壓力傳感器、電源控制柜、接觸器、中間繼電器、熱繼電器、空氣開關(guān)、按鈕以及控制線路等組成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示.

1.2 工作原理

系統(tǒng)提供手動(dòng)/自動(dòng)兩種工作模式,具有現(xiàn)場(chǎng)控制方式,狀態(tài)顯示以及故障報(bào)警等功能.對(duì)原系統(tǒng)的控制電路進(jìn)行改造時(shí),保留原系統(tǒng)的手動(dòng)控制功能,以備變頻調(diào)速系統(tǒng)出故障時(shí)使用,在控制臺(tái)上設(shè)有手動(dòng)/自動(dòng)選擇的轉(zhuǎn)換開關(guān).在手動(dòng)方式下,電動(dòng)調(diào)節(jié)閥處于全開狀態(tài),循環(huán)水泵通過(guò)開關(guān)進(jìn)行控制,不受出回水溫差的影響.補(bǔ)水水泵也通過(guò)開關(guān)進(jìn)行控制.為防止循環(huán)水泵電動(dòng)機(jī)的疲勞運(yùn)行,在任何狀態(tài)下循環(huán)水泵電動(dòng)機(jī)在累計(jì)運(yùn)行設(shè)定時(shí)間后要切換至另一臺(tái)循環(huán)水泵電動(dòng)機(jī)運(yùn)行.1#循環(huán)泵與2#循環(huán)泵可由二位開關(guān)轉(zhuǎn)換.循環(huán)次數(shù)及定時(shí)時(shí)間可根據(jù)需要隨機(jī)設(shè)定.

圖2 電源、變頻器、循環(huán)泵電機(jī)的主線路

報(bào)警信號(hào)均為聲光形式.聲報(bào)警（電笛）可用按鈕解除,報(bào)警指示在故障排除后自動(dòng)消失.

在自動(dòng)方式下,本系統(tǒng)中具有供暖溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)功,即根據(jù)室外溫度變化,系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)使室內(nèi)保持給定供暖溫度.室外溫度傳感器采集溫度信號(hào),送入PLC,并與設(shè)定的溫度相比,決定是否需要開啟引風(fēng)機(jī)、送煤機(jī)、點(diǎn)火開始供暖.當(dāng)供暖系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行,出回水溫度傳感器和室內(nèi)溫度傳感器采集溫度信號(hào),經(jīng)過(guò)PLC的智能擴(kuò)展模塊EM235進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,送入PLC進(jìn)行計(jì)算,得出鍋爐實(shí)際出回水溫差數(shù)值、室內(nèi)溫度數(shù)值.把所得鍋爐實(shí)際出回水溫差數(shù)值送入PLC內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)器,經(jīng)PID運(yùn)算與給定目標(biāo)溫差參數(shù)及室內(nèi)溫度數(shù)值進(jìn)行比較運(yùn)算后,輸出控制信號(hào)送給變頻器[3],由變頻器控制循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)供暖系統(tǒng)管網(wǎng)中的熱水流速,使室內(nèi)采暖溫度保持在給定溫度內(nèi).在變頻器中設(shè)定一個(gè)上限頻率和一個(gè)下限頻率,天氣寒冷溫度低時(shí)變頻器輸出升高頻率,到上限頻率,若采暖溫度達(dá)不到設(shè)定值,PLC就加大鼓風(fēng)量和送煤量或增加循環(huán)泵的數(shù)量；天氣轉(zhuǎn)暖溫度高時(shí)變頻器輸出下降頻率,到下限頻率,若采暖溫度仍高于設(shè)定值,PLC就減少鼓風(fēng)量和送煤量或循環(huán)泵的數(shù)量.同時(shí)PLC也控制電機(jī)的起停、變頻與工頻的切換等,使系統(tǒng)管網(wǎng)的工作壓力始終穩(wěn)定,進(jìn)而達(dá)到恒壓供水的目的.工頻與變頻之間轉(zhuǎn)換用交流接觸器互鎖來(lái)保證它的安全與可靠[4].變頻器、水泵電機(jī)之間的主線路如圖2所示.

1.3 補(bǔ)水控制部分

用高亮二極管與光敏三極管3DU配合檢測(cè)水位,不透明懸浮物隨水位而上下移動(dòng),其以安裝在最下面的高亮二極管和三極管為例,來(lái)說(shuō)明其檢測(cè)水位的原理.實(shí)現(xiàn)方法如圖3所示.當(dāng)水位未到達(dá)安裝位置時(shí),高亮二極管發(fā)出的光就能透過(guò)玻璃管和水到達(dá)光敏三極管,此時(shí)光敏三極管就會(huì)導(dǎo)通；當(dāng)水位到達(dá)安裝位置時(shí),不透明懸浮物就會(huì)擋住高亮二極管發(fā)出的光,此時(shí)光敏三極管不導(dǎo)通.用此方法來(lái)檢測(cè)水位,當(dāng)水位到達(dá)下限值,自動(dòng)開啟1#補(bǔ)水泵,當(dāng)水位到達(dá)下下限值,報(bào)警系統(tǒng)開啟,2#補(bǔ)水泵開始工作,兩臺(tái)補(bǔ)水泵都故障時(shí)整個(gè)系統(tǒng)斷電,系統(tǒng)停止工作.當(dāng)水位值到達(dá)上限值時(shí),自動(dòng)關(guān)閉1#補(bǔ)水泵,當(dāng)水位值到達(dá)上限值時(shí),系統(tǒng)報(bào)警,并使1#補(bǔ)水泵控制系統(tǒng)斷電,停止工作.

1.4 循環(huán)泵部分

在循環(huán)系統(tǒng)中,鍋爐出水溫度和回水溫度的差稱為鍋爐溫差.溫差升高,表明鍋爐產(chǎn)生的熱量增多,需要循環(huán)泵將熱量及時(shí)送給供暖負(fù)荷；鍋爐溫差降低,表明鍋爐燃燒系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量減少,循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速也應(yīng)隨之減小,以避免能源浪費(fèi).對(duì)循環(huán)泵通過(guò)PID調(diào)節(jié)完成恒溫差的閉環(huán)控制,以鍋爐的實(shí)際溫差作為PID的反饋,以目標(biāo)溫差作為PID的給定,PID的輸出作為變頻循環(huán)泵的頻率運(yùn)行信號(hào).循環(huán)泵轉(zhuǎn)速增減,隨鍋爐燃燒系統(tǒng)產(chǎn)生的溫差而動(dòng)態(tài)閉環(huán)調(diào)節(jié),從而使室內(nèi)保持給定供暖溫度[5].在鍋爐燃燒的初始階段因出回水溫差為0,即給定值大于反饋值,循環(huán)泵不運(yùn)行,隨著鍋爐產(chǎn)生熱量的增加,出回水溫差增加,當(dāng)其超過(guò)給定溫差值時(shí),1#循環(huán)泵開始工作.當(dāng)1#循環(huán)泵出現(xiàn)故障時(shí),出回水溫差特別大,循環(huán)系統(tǒng)故障報(bào)警,2#循環(huán)泵投入使用.被替代的泵在循環(huán)順序中可以自動(dòng)跳過(guò),順沿循環(huán).循環(huán)框圖如圖3所示.

圖3 水位檢測(cè)實(shí)現(xiàn)方法

圖4 循環(huán)控制流程

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 PLC及擴(kuò)展模塊的選用

在滿足控制要求的原則上,盡量降低成本,PLC選用西門子公司的S7-200系列的CPU226CN為主機(jī),它有24／16共40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn),2路獨(dú)立的20 kHz高速脈沖輸出,16 k字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間,內(nèi)置有PID控制器.1個(gè)RS-485通訊/編程口及多種通訊協(xié)議,數(shù)據(jù)設(shè)定值、信號(hào)數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理、控制信號(hào)輸入輸出等由PLC來(lái)實(shí)現(xiàn).數(shù)據(jù)設(shè)定值包括壓力上下值、水位上下值及頻率上下值等,信號(hào)數(shù)據(jù)讀取包括讀取水壓、水位、頻率、變頻泵號(hào),頻率工頻臺(tái)數(shù)等,控制信號(hào)輸入輸出包括5部分：起動(dòng)、運(yùn)行、停止、切換、報(bào)警及故障自診斷.

本設(shè)計(jì)擴(kuò)展模塊選用2個(gè)EM235模擬量輸入模塊,它是A/D轉(zhuǎn)換模塊,具有4個(gè)模擬量輸入和1個(gè)模擬量輸出,12位A/D輸入信號(hào)是由多路開關(guān)依次采集的,所使用的數(shù)值是數(shù)字濾波器求取采樣值的平均值.溫度傳感器的輸出信號(hào),經(jīng)過(guò)變送器調(diào)理和放大處理后,成為0～5 V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),EM235模塊自動(dòng)完成A/D轉(zhuǎn)換；同時(shí)擴(kuò)展了1個(gè)EM223的數(shù)字量輸入/輸出模塊,它有4/4共8個(gè)I/O點(diǎn),作用是提供附加的輸入/輸出點(diǎn),這樣完全可以滿足系統(tǒng)的要求[6].

2.3 變頻器的選擇

在滿足系統(tǒng)改造控制要求的情況下,變頻器選用了西門子公司的產(chǎn)品,該變頻器采用MM430節(jié)能型模塊,可大大降低電機(jī)高頻噪聲,減少對(duì)電網(wǎng)的污染,同時(shí)也能降低水泵電機(jī)溫升[2].其保護(hù)及報(bào)警功能完善,可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,內(nèi)置有RS-232通訊接口.

2.4 傳感器的選擇

在系統(tǒng)中用到了溫度傳感器、水位傳感器、壓力傳感器.

采用溫度傳感器PT100檢測(cè)溫度,它是一種穩(wěn)定性和線性都比較好的鉑絲熱阻傳感器,可以工作在-200～650℃的范圍.采用光敏三極管檢測(cè)水位用高亮二極管與光敏三極管3DU配合檢測(cè)水位[7].采用MS3系列壓力變送器檢測(cè)壓力,它產(chǎn)生具有壓力范圍廣、耐磨損、抗沖擊及耐腐蝕等突出特點(diǎn),能在嚴(yán)寒地區(qū)及高溫地區(qū)長(zhǎng)期工作.

2.5 調(diào)節(jié)閥配置

電動(dòng)調(diào)節(jié)閥選用西門子的VVF592.該電動(dòng)調(diào)解閥的額定沖程20mm的法蘭二通閥PN25,適用于開路或閉路中的低壓熱水,生活熱水,高壓熱水,熱油,飽和或過(guò)熱蒸汽,介質(zhì)溫度為1～220℃.手動(dòng)調(diào)解閥采用上海良工品牌的鑄鋼渦輪蝶閥.

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 I/O口分配

冷卻恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要涉及到15個(gè)數(shù)字量輸入和5個(gè)模擬量輸入,18個(gè)數(shù)字量輸出和1個(gè)模擬量輸出.設(shè)置6個(gè)操作鍵、6個(gè)開關(guān)量傳感器、2個(gè)開關(guān)量開關(guān)和5個(gè)模擬量傳感器作輸入信號(hào)；這6個(gè)操作鍵包括：?jiǎn)?dòng)開關(guān)、停機(jī)開關(guān)、自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)、報(bào)警解除開關(guān)、2個(gè)在手動(dòng)控制下控制循環(huán)泵運(yùn)行開關(guān)；6個(gè)開關(guān)量傳感器包括：2個(gè)為反映拖動(dòng)循環(huán)泵的電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障的熱繼電器開關(guān)信號(hào),4個(gè)為反映水位高、低開關(guān)信號(hào)；2個(gè)反映變頻器上、下限頻率開關(guān)信號(hào)；4個(gè)用于測(cè)量溫度值的模擬量輸入信號(hào)和1個(gè)用于測(cè)量鍋爐氣壓值的模擬量輸入信號(hào).其具體的輸入輸出地址分配如表1所示.

表1 PLC的I/O地址分配

3.2 程序設(shè)計(jì)

在PLC的主程序中含10個(gè)子程序,大致可以分為4大部分：初始化部分、循環(huán)泵部分,補(bǔ)水泵部分,溫度控制部分和故障報(bào)警部分,其主程序流程如圖5所示,主程序和子程序梯形圖略.

圖5 程序流程

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用PLC控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù),針對(duì)某單位供暖鍋爐控制系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造,設(shè)計(jì)了鍋爐供暖恒溫控制系統(tǒng),經(jīng)模擬仿真和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備試運(yùn)行,運(yùn)行結(jié)果表明,該控制系統(tǒng)不但提高了設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性,設(shè)備操作容易和維護(hù)方便,延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命；而且實(shí)現(xiàn)鍋爐恒溫供暖,自動(dòng)高效節(jié)能的目的,對(duì)類似工業(yè)設(shè)備控制系統(tǒng)節(jié)能改造,具有一定推廣應(yīng)用的價(jià)值.

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