變頻器結(jié)合PLC 在供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用

孫永民

（哈爾濱市華能集中供熱有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

目前國內(nèi)集中供熱系統(tǒng)來看，大多數(shù)供暖系統(tǒng)無自動控制，多為人工調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)方式增加了勞動強(qiáng)度，調(diào)節(jié)不及時，供熱質(zhì)量差，熱量浪費(fèi)大。為了避免不必要的熱量浪費(fèi)，實現(xiàn)供熱供熱系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，實現(xiàn)集中供熱系統(tǒng)的最佳控制。采用了PLC 自控系統(tǒng)，電機(jī)控制采用變頻器控制系統(tǒng)，達(dá)到最大程度的節(jié)能。

1 集中供熱系統(tǒng)實行變頻器與PLC的必要性

實行集中供熱是合理利用能源、提高能源利用率、減少環(huán)境污染、促進(jìn)生產(chǎn)、改善人民生活、加速城市現(xiàn)代化建設(shè)的有效措施和重要途徑。集中供熱已成為我國北方冬季供熱的一種主要形式，并且在別的地區(qū)也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但與一些工業(yè)發(fā)達(dá)的國家相比，整個供熱系統(tǒng)的熱能利用效率、設(shè)備的品種和質(zhì)量、運(yùn)行管理和自控水平等方面，仍存在不少差距。由于循環(huán)泵或補(bǔ)水泵在供熱系統(tǒng)中承擔(dān)著補(bǔ)充失水和對系統(tǒng)進(jìn)行定壓的任務(wù)，系統(tǒng)具有肩動頻繁的特點(diǎn)。因此，對電網(wǎng)形成巨大的沖擊，從而容易造成管路止回閥的損失，而且還容易造成保護(hù)裝置的誤動作，影響其它設(shè)備的正常運(yùn)行。而變頻調(diào)速控制水泵的電機(jī)從零速以無級變速向使用轉(zhuǎn)速過渡，運(yùn)行較平穩(wěn)，對電網(wǎng)不會造成沖擊，因此，延長了電機(jī)的使用壽命。同時，由于電動機(jī)的運(yùn)行噪聲與其轉(zhuǎn)速有關(guān)，即轉(zhuǎn)速越高，噪聲越大。使用變頻調(diào)速裝置使轉(zhuǎn)速和噪聲明顯降低，改善了工作環(huán)境。目前，在集中供熱系統(tǒng)中，為了保持經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，同時保證供熱質(zhì)量，變頻器結(jié)合PLC 控制系統(tǒng)在集中供熱系統(tǒng)中，對于節(jié)能及系統(tǒng)的穩(wěn)定性存在著必要的重要性。

2 變頻器結(jié)合PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計

供熱工程控制系統(tǒng)由西門子300PLC、變頻器、變頻調(diào)速電動機(jī)、壓力傳感器、溫度傳感器以及流量計等組成。

2.1 變頻器控制原理

變頻器首先將三相交流電壓整流為直流電壓，然后再將直流電壓轉(zhuǎn)換成幅值和頻率均可變的交流電壓。因此，電動機(jī)輸入的電壓和頻率均可變，從而使三相標(biāo)準(zhǔn)交流電動機(jī)實現(xiàn)無級變速功能。

整流器：三相橋式整流器將交流電壓整流為直流電壓。中間電路：使中問電路電壓保持平滑，降低反饋到主電源的諧波電流。逆變器：將直流電壓轉(zhuǎn)換成幅值和頻率均可變的交流電壓。控制卡：控制卡上有控制逆變器產(chǎn)生脈沖序列的微處理器，通過它可以將直流電壓轉(zhuǎn)換成幅值和頻率均可變的交流電壓；提供控制變頻器的各種控制信號；監(jiān)視變頻器的工作狀態(tài)，提供保護(hù)功能。

2.2 模塊結(jié)構(gòu)型PLC

所謂模塊，就是按照功能將電路進(jìn)行分類，通常是每一種功能制成一塊電路板，稱為模板或板卡，每塊模板置于工程塑料外殼內(nèi)，成為獨(dú)立的單元，如CPU 單元、輸人單元、輸出單元、特殊I／O 單元、通信單元以及供電單元等等。各單元插在帶有總線的CPU 底板上，構(gòu)成CPU 機(jī)架；對于無底板的模塊結(jié)構(gòu)型PLC，則是通過各個單元側(cè)面的連接器，構(gòu)成CPU 機(jī)架。如果CPU 機(jī)架(或稱主機(jī)架)的I／O 點(diǎn)數(shù)不夠用，或者需要增加新的特殊單元，可以增加擴(kuò)展I／O 機(jī)架，擴(kuò)展 I／O 機(jī)架由供電單元、I／O 接口單元(僅無底版型需要)、擴(kuò)展 I／O 底版(僅有底板型需要)、I／O單元以及特殊I／O 單元組成。模塊結(jié)構(gòu)型PLC的特點(diǎn)是組態(tài)靈活、擴(kuò)展方便以及維護(hù)簡單。模塊結(jié)構(gòu)型PLC 如圖1 所示。

圖1

2.3 PLC 程序設(shè)計

采用西門子300PLC 作為調(diào)節(jié)閥的控制器，在一次網(wǎng)中，需要通過室外溫度來調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥，從而控制二次供水溫度。而室外溫度是時時變化的，所以采用根據(jù)不同的溫度范圍調(diào)用不同的調(diào)節(jié)。

閥開度，從而實現(xiàn)智能控制，分為32 組開度值，即：專家控制策略。首先室外溫度采用PT100的溫度傳感器，輸出0～10v的直流電壓，傳送給西門子300的模擬量輸入模塊，經(jīng)過程序設(shè)計，根據(jù)溫度的不同，調(diào)出不同調(diào)節(jié)閥開度，通過模擬量輸出模塊輸出4～20 mA的直流信號，調(diào)節(jié)閥接到不同的電流值，則對開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而保證了二次供水的溫度。在整個控制系統(tǒng)中，可編程邏輯控制器其實起到了數(shù)據(jù)采集的作用，將溫度變送器和壓力變送器以及電磁流量計的數(shù)值采集上來，再根據(jù)這些數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，將結(jié)果傳送給相應(yīng)的設(shè)備，起到智能調(diào)節(jié)作用。

2.4 變頻器對循環(huán)泵的控制設(shè)計

現(xiàn)有循環(huán)泵系統(tǒng)的流量與壓差是靠閥門和旁通壓差閥調(diào)節(jié)來完成，因此，不可避免地存在較大載流損失。為了解決這個問題，需使水泵隨著負(fù)載的變化而調(diào)節(jié)水流量并關(guān)閉旁通，又因為水泵采用的是自藕減壓或星一三角起動方式，電機(jī)的起動電流為額定電流3～4 倍，一臺30KW的電動機(jī)其啟動電流將達(dá)到200A 左右，在如此大的電流沖擊下，接觸器的使用壽命將大大下降，同時啟動時的機(jī)械沖擊和停泵時的水錘現(xiàn)象，容易對機(jī)械散件(如軸承，閥門與管道)等造成破壞，從而增加了維修工作量及配件費(fèi)用，費(fèi)時費(fèi)力。變頻節(jié)能技術(shù)和PID 控制電路的應(yīng)用普及，使循環(huán)泵實現(xiàn)軟啟動及自動"啟動、停止、輪換、變量調(diào)節(jié)、自動故障中文顯示及予測"等功能，改變原來由人工控制的模式，大大提高設(shè)備的自動化程度和大大地減少了電機(jī)的啟動電流，使循環(huán)水泵最大限度地提高節(jié)能效果。

2.5 變頻器控制分析

由于30KW的水泵功率較小，因此采用一拖二控制方式，自動時根據(jù)回水溫度的變化，實現(xiàn)泵的自動投切，投切順序為：先投先切。若一臺泵能持續(xù)滿足實際的工況要求，變頻器自動計時，實現(xiàn)定時倒泵，保證各水泵的機(jī)械磨損一樣，延長泵的使用壽命。自動變頻時，變頻器根據(jù)冷卻水回水控制冷卻水循環(huán)泵，實現(xiàn)恒流量運(yùn)行并保證最低流量，節(jié)約此前因超壓流經(jīng)節(jié)流閥的水泵耗能。

3 結(jié)束語

變頻器結(jié)合PLC 系統(tǒng)這一項自動化技術(shù)的采用，大大降低了能耗。這項自動控制技術(shù)的采用利于提高企業(yè)科學(xué)管理水平，有利于供熱系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行，有利于企業(yè)挖潛改造，提簡經(jīng)濟(jì)效益，存利于改變環(huán)境節(jié)省勞動力，這項技術(shù)對推動經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了積極的作用。

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