分布式燃?xì)鉄崴酨LC控制系統(tǒng)

胡 泊，胡鄭希

（1.銅陵力圖機電科技有限公司，安徽 銅陵 244000；2.安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000）

分布式燃?xì)鉄崴酨LC控制系統(tǒng)

胡 泊1，胡鄭希2

（1.銅陵力圖機電科技有限公司，安徽 銅陵 244000；2.安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000）

分布式燃?xì)鉄崴嵯到y(tǒng)具有靈活、經(jīng)濟、環(huán)保等特點。將自動化技術(shù)、控制技術(shù)和現(xiàn)場總線通信技術(shù)應(yīng)用于分布式燃?xì)鉄崴嵯到y(tǒng)，可以提高供熱質(zhì)量、節(jié)約能源。介紹了S7-1200系列PLC應(yīng)用于分布式燃?xì)鉄崴嵯到y(tǒng)的實現(xiàn)技術(shù)。闡述了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、測控點設(shè)計、PLC硬件配置、控制器與變頻器和室溫傳感器等智能設(shè)備通信連接。重點討論了供熱系統(tǒng)供水溫度室外溫度補償質(zhì)調(diào)節(jié)控制模型、室溫反饋修正的質(zhì)調(diào)節(jié)控制模型，以及供暖供水溫度控制、供熱循環(huán)泵壓差變頻控制、定壓補水控制和供水管道泄壓控制策略。根據(jù)確定的控制策略，設(shè)計了PLC供暖系統(tǒng)控制程序。實際運行表明，該控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定、操作智能簡便，保證了供熱質(zhì)量，節(jié)約了能源，降低了供熱運行成本，具有廣泛的應(yīng)用前景。

分布式供熱；PLC；控制系統(tǒng)；換熱器；現(xiàn)場總線；測控點設(shè)計；控制回路

0 引言

分布式燃?xì)鉄崴嵯到y(tǒng)是指：將某一特定單位或區(qū)域，依據(jù)建筑布局、建筑的使用功能，劃分成若干個片區(qū)，并分布式設(shè)立燃?xì)鉄崴嵴?，獨立向所在片區(qū)建筑就近供熱。分布式燃?xì)夤嵴具x址位于本供熱片區(qū)建筑密集區(qū)附近，以解決現(xiàn)有燃煤供熱系統(tǒng)造價高、管網(wǎng)熱損耗多、供熱質(zhì)量差、自動化程度低、運行能耗高等問題。PLC智能控制系統(tǒng)應(yīng)用于分布式燃?xì)鉄崴嵯到y(tǒng)，使供熱質(zhì)量得到有效保證、供熱能耗下降顯著，因而供熱不僅更經(jīng)濟，而且更環(huán)保。

1 分布式燃?xì)鉄崴嵯到y(tǒng)簡述

內(nèi)蒙古某大學(xué)新建宿舍樓群采用分布式燃?xì)夤嵯到y(tǒng)。系統(tǒng)主要包括：天然氣熱水燃燒爐、內(nèi)循環(huán)泵、板式換熱器、供熱循環(huán)熱水泵、熱水供水和回水管道、天然氣管道、定壓補水和泄壓裝置、軟化水處理器、廢氣煙囪、供熱末端采暖點的暖氣片、儀表和PLC控制系統(tǒng)等。

燃燒爐加熱后的熱水輸送到板式換熱器經(jīng)熱交換后，由內(nèi)循環(huán)泵送回燃燒爐循環(huán)加熱。換熱器置換出的二次網(wǎng)的高溫?zé)崴?，通過分水器送到宿舍樓采暖點散熱器。經(jīng)過散熱器散熱后的低溫?zé)崴祷氐郊?，由供熱循環(huán)泵輸入換熱器置換熱水［1］。

定壓補水和泄壓裝置作為供熱系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，保證了外循環(huán)系統(tǒng)供水壓力穩(wěn)定和供熱系統(tǒng)安全。

2 控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)由S7-1200系列PLC、儀表、電動執(zhí)行器和觸摸屏等組成［2］。燃燒爐頭帶控制器，控制器用于控制燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥。變頻器、爐頭控制器和宿舍樓室內(nèi)溫度傳感器作為Modbus從站，通過RS-485通信總線與PLC主站建立數(shù)據(jù)通信連接［3-4］。

觸摸屏為人機界面。在觸摸屏上設(shè)有組態(tài)工藝流程、實時數(shù)據(jù)、報警參數(shù)、參數(shù)設(shè)置、開停車等界面，用于顯示實時參數(shù)和設(shè)置控制參數(shù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig1. Structure diagram of control system

2.2 測控點設(shè)計和PLC硬件配置

供熱系統(tǒng)工藝檢測控制圖如圖2所示。圖2中：P1、P2、P3分別為外循環(huán)泵、內(nèi)循環(huán)泵、補水泵。

根據(jù)工藝控制要求，設(shè)計工藝檢測儀表和執(zhí)行器。其中，TE為溫度檢測，PT為壓力檢測，TV為燃?xì)怆妱诱{(diào)節(jié)閥，PV為泄壓電磁閥，UVF為變頻器。

檢測項目包括：換熱器二次側(cè)出水溫度、集水器溫度和壓力、分水器溫度和壓力、戶外環(huán)境溫度等。執(zhí)行器包括：天然氣電動調(diào)節(jié)閥、泄壓電磁閥、定壓補水變頻器、外循環(huán)供水變頻器［5］。

圖2 工藝檢測控制圖Fig2. Process inspection and control chart

根據(jù)測控點的數(shù)量和設(shè)備手/自動操作功能、設(shè)備保護功能、設(shè)備啟?？刂戚敵龉δ?、通信功能要求，PLC配置1214C DC/DC RLY型號的CPU模塊、SM231熱電阻模擬量輸入模塊、SM231模擬量輸入模塊和SM241信號模塊各一塊。CPU1214C DC/DC RLY模塊24 VDC供電，共有開關(guān)量輸入14點，繼電器開關(guān)量輸出10點，設(shè)備啟?？刂崎_關(guān)、熱繼電器反饋等信號接入該模塊的開關(guān)量輸入通道，電機、電磁閥、變頻器的啟停控制接入該模塊的開關(guān)量輸出通道。Pt100熱電阻檢測的溫度信號接入SM231熱電阻模擬量輸入模塊的輸入通道，壓力變送器信號接入SM231模擬量輸入模塊輸入通道［6］。

3 主要控制策略

3.1 供熱系統(tǒng)供水溫度控制

3.1.1 供熱供水溫度控制模型

室內(nèi)供熱有三種基本的調(diào)節(jié)方式，即質(zhì)調(diào)節(jié)、量調(diào)節(jié)、間歇調(diào)節(jié)［7］。

本系統(tǒng)基于質(zhì)調(diào)節(jié)理論公式，建立供熱供水溫度控制模型。質(zhì)調(diào)節(jié)理論公式如下：

式中：tg為供熱系統(tǒng)供水溫度，℃；th為供熱系統(tǒng)回水溫度，℃；tw為實時室外環(huán)境溫度，℃；t′g為供熱系統(tǒng)設(shè)計供水溫度，℃；t′h為供熱系統(tǒng)設(shè)計回水溫度，℃；t′n為室內(nèi)計算溫度，℃；t′w為室外計算溫度，℃；B 為散熱器的散熱指數(shù)。

將式（1）應(yīng)用到供熱系統(tǒng)時，室外溫度補償控制是非循環(huán)性控制方式，單純靠室外溫度補償控制不能有效控制室內(nèi)溫度。因為影響室內(nèi)溫度的因素除了室外溫度外，還有太陽輻射熱、風(fēng)速等外部因素，以及人體、照明、電器產(chǎn)品發(fā)熱等內(nèi)部因素。這些因素可能造成室內(nèi)供熱溫度高于或者低于目標(biāo)值，所以在實際應(yīng)用時要進行修正；否則會造成室溫偏高時能源浪費，室溫偏低時供熱質(zhì)量不達(dá)標(biāo)［8］。

因此，在實際應(yīng)用中，采用室外溫度補償控制+室溫反饋控制的方式。隨室外溫度的變化確定供水溫度，再根據(jù)反饋的室溫二次調(diào)解供水溫度的控制。

引入室溫反饋后，質(zhì)調(diào)節(jié)公式如下：

式中：tn為室內(nèi)實時溫度，℃。

修正后的質(zhì)調(diào)節(jié)供水溫度控制模型的控制思想是以室內(nèi)舒適溫度為目標(biāo)控制值，通過模型計算確定合適的動態(tài)輸出值，自動控制燃?xì)忾y門開度，從而控制供水溫度，達(dá)到控制室溫的要求。

3.1.2 供水溫度控制

通過分析，控制供熱系統(tǒng)的供水溫度可以保障供熱質(zhì)量，減少能源消耗，是整個供熱系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。供水溫度控制回路由換熱器二次側(cè)出水溫度傳感器、燃?xì)忮仩t的爐頭控制器、爐頭燃?xì)獗壤{(diào)節(jié)閥等組成。設(shè)定供熱供水溫度，爐頭控制器通過檢測換熱器二次側(cè)出水溫度，實時調(diào)節(jié)燃燒爐的燃燒功率，從而控制供熱供水溫度達(dá)到設(shè)定值。該回路的供水溫度分為手動設(shè)定（內(nèi)給定值）和質(zhì)調(diào)節(jié)模型計算自動設(shè)定（外給定值）兩種設(shè)定方式。給定值通過數(shù)據(jù)通信，由PLC傳輸給爐頭控制器。當(dāng)切換到質(zhì)調(diào)節(jié)模型計算自動設(shè)定時，系統(tǒng)會根據(jù)實時戶外環(huán)境溫度及室內(nèi)溫度，動態(tài)調(diào)節(jié)鍋爐燃?xì)夤β屎蛣討B(tài)調(diào)整供水溫度，從而更好地保證供熱質(zhì)量和最大限度地節(jié)約能源。

3.2 定壓補水控制和供水管道泄壓控制

定壓補水控制回路由集水器壓力變送器、變頻器組成。供熱系統(tǒng)初期補水通過定壓水泵向系統(tǒng)注水直至充滿；在運行過程中，可能存在泄漏點，或者降溫運行過程中由于供熱水溫度降低，系統(tǒng)水體積收縮，使定壓壓力下降。定壓壓力設(shè)定值由PLC通信傳輸給定壓補水變頻器。在初期補水和運行中，變頻器檢測集水器的壓力信號，通過變頻器自帶的PID控制器調(diào)節(jié)控制電機轉(zhuǎn)速，從而控制補水壓力達(dá)到定壓設(shè)定值。

供水管道泄壓控制回路由分水器壓力變送器、泄壓電磁閥組成。系統(tǒng)運行升溫過程中，由于水體積膨脹，系統(tǒng)壓力會上升。當(dāng)壓力達(dá)到泄壓上限設(shè)定值，泄壓電磁閥打開；當(dāng)壓力低于泄壓下限設(shè)定值時，電磁閥關(guān)閉。供水管道泄壓控制保證了供暖系統(tǒng)能安全運行。

3.3 供熱循環(huán)泵壓差變頻控制

供熱循環(huán)泵差壓變頻控制回路由分水器壓力變送器、集水器壓力變送器、變頻器組成。當(dāng)供熱負(fù)荷變化時，供熱循環(huán)泵供回水壓差隨之變化。變頻器檢測分水器和集水器的壓力差信號，通過變頻器自帶的PID控制器調(diào)節(jié)控制電機轉(zhuǎn)速。通過動態(tài)調(diào)節(jié)泵出口壓力，使壓差保持恒定。這樣有效控制了供熱循環(huán)流量的變化，保證了各采暖單元回路供熱流量的穩(wěn)定。

4 PLC控制軟件設(shè)計

PLC控制程序流程圖如圖3所示。

圖3 PLC控制程序流程圖Fig3 Flowchart of PLC control program

PLC控制軟件［9］編制是在西門子TIA Portal軟件平臺上完成的，主要有硬件設(shè)備組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、通信配置等［10］。建立不同的FC函數(shù)來定義不同功能的子程序，通過嵌套方式來定義一級函數(shù)下的二級函數(shù)子程序。用戶一級函數(shù)子程序包括：初始化子程序FC1、供暖定時處理子程序FC2、開停車子程序FC3、模擬量處理子程序FC4、總線通信子程序FC5、供熱水溫度計算子程序FC6、報警處理子程序FC7。在一級子程序FC4下建立了兩個二級函數(shù)子程序，即4～20 mA信號采集子程序FC41和Pt100熱電阻信號采集子程序FC42。在程序循環(huán)組織塊OB1中，調(diào)用一級函數(shù)子程序。在程序中建立多個數(shù)據(jù)塊，將不同功能要求的輸入及輸出數(shù)據(jù)變量存放在不同的DB數(shù)據(jù)塊中。

5 結(jié)束語

S7-1200系列PLC應(yīng)用于分布式燃?xì)鉄崴嵯到y(tǒng)，可以實現(xiàn)智能化控制。采用現(xiàn)場總線技術(shù)，既可以降低電纜及其安裝費用，又可以減輕PLC處理PID運算的工作壓力。特別是采用了“室外溫度補償控制+室溫反饋控制”質(zhì)調(diào)節(jié)控制模型，動態(tài)調(diào)節(jié)控制供熱供水溫度，既保證了供熱質(zhì)量，又可以節(jié)約能源，降低了供熱運行成本。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、控制靈活、運行穩(wěn)定可靠，投入運行后，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

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Distributed Gas Hot Water Heating PLC Control System

HU Po1，HU Zhengxi2
（1.Tongling Litu Electromechanical Technology Co.，Ltd.，Tongling 244000，China；2.Electrical and Information Engineering College，Anhui University of Technology，Maanshan 243000，China）

Distributed gas hot water heating system has the characteristics of flexibility，economy and environmental protection.Combining automation technology，control technology and fieldbus communication technology into the distributed gas hot water heating control system will improve the heating quality and save energy.The application of S7-1200 series PLC in the distributed gas hot water heating system was introduced.the communication connection between the controller，and the frequency converter and the temperature sensor are described.The structure of the control system，the design of measurement and control points，the hardware configuration of PLC，the heating system water temperature of the outdoor temperature compensation quality adjustment control model，and temperature feedback correction quality adjustment control model，heating water temperature control，heating circulating pump pressure frequency control，constant pressure water control and water supply pipeline pressure control strategy were mainly discussed.According to the control strategy，the PLC heating system control program was designed.The actual operation shows that the control system is stable，the operation is Intelligence and convenient，the heating quality is ensured，the energy is saved，and the heating operation cost is reduced，and the utility model has wide application prospects.

Distributed heating；Programmable logic controller；Control system；Heat exchanger；Field bus；Control point design；Control loop

TH81；TP273

A

10.16086／j.cnki.issn1000-0380.201711007

修改稿收到日期：2017-06-07

胡泊（1966—），男，學(xué)士，高級工程師，主要從事暖通控制方向的研究。E-mail：326167414@qq.com。