基于PLC的自動熱水系統(tǒng)研究與設(shè)計

桑吳剛 盧美鴻

（江蘇省昆山第一中等專業(yè)學(xué)校，昆山 215300）

為了提高加熱效率和降低造價，本方案采用電熱管直接與水接觸的加熱方式。電熱管的裝機容量根據(jù)熱功轉(zhuǎn)換公式計算，能滿足最大用水量時燒制熱水的需要。方案中，每個供熱水系統(tǒng)設(shè)置多個熱水存儲罐，每個存儲罐設(shè)置多組電熱管并實現(xiàn)按熱水使用需要（熱水用量和水溫）自動調(diào)節(jié)存儲罐和加熱管投運數(shù)量，確保任何情況下均能滿足用水需要。熱水系統(tǒng)采用自動控制，并全面考慮了熱水系統(tǒng)的安全防護裝置。

1 裝置的基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述功能的需要，自動電熱水裝置主要由熱水存儲罐、加熱單元、電源控制柜、自動控制柜、上位機及其他輔助件（傳感器、控制閥等）組成。自動電熱水裝置的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 自動電熱水裝置基本結(jié)構(gòu)

其中，自動控制柜內(nèi)安裝有PLC等自動化控制部件，擔(dān)負著整個裝置運行的自動控制。自動控制柜面板上安裝有觸摸屏，使得操作人員可以通過觸摸屏設(shè)定設(shè)備各運行參數(shù)，同時通過觸摸屏顯示設(shè)備的運行參數(shù)及狀態(tài)。上位機（為用戶選配件）安裝在用戶單位的集中控制室，因此值班人員可以通過上位機對設(shè)備進行遠程監(jiān)控，無需人員在設(shè)備現(xiàn)場操作或值守[1]。

2 各主要元器件的選型設(shè)計

2.1 存儲罐的設(shè)計

存儲罐采用圓柱體容積結(jié)構(gòu)。它的殼體從里到外依次為內(nèi)膽、保溫層和外保護層。在罐的頂部設(shè)置供維護人員進入的入口，并設(shè)置帶保溫層的入口蓋板。正常運行時，存儲罐頂部入口處于關(guān)閉狀態(tài)，只有當(dāng)內(nèi)部檢修需要進入人員時才打開。在罐的側(cè)面靠底面的地方設(shè)置排污口，并安裝手動排污閥。存儲罐的進水管位于罐的頂部，出水管位于罐的側(cè)面高出底部約0.8m的部位。所有與內(nèi)膽連接的部件均采用不銹鋼焊接連接方式。

2.2 加熱單元的設(shè)計

加熱單元由加熱室、電熱管及蝶閥焊接成組合件。安裝時，采用配裝焊接的方式將加熱單元與存儲罐內(nèi)膽固定連接。電熱管安裝在矩形結(jié)構(gòu)的加熱室內(nèi)。蝶閥選用上海陽一閥門有限公司生產(chǎn)的D71X型不銹鋼手動蝸輪式閥門。電熱管是以金屬管為外殼（不銹鋼），沿管內(nèi)中心軸向均布螺旋電熱合金絲（鎳鉻、鐵鉻合金）。它的空隙填充具有良好絕緣導(dǎo)熱性能的氧化鎂砂并壓實，管口兩端用硅膠密封。這種金屬鎧裝電熱元件可以加熱空氣、金屬模具和各種液體。

2.3 各閥門的選型設(shè)計

根據(jù)功用，查產(chǎn)品樣本，最終進水及出水閥選用浙江澳翔自控科技有限公司生產(chǎn)的CHQ系列電動球閥。它的公稱通徑為65mm，材質(zhì)為304不銹鋼，電源電壓為AC 220V。排污閥選用公稱通徑為65mm、材質(zhì)為不銹鋼的手動球閥。

2.4 電源控制柜

根據(jù)電源電壓及電熱管功率，查產(chǎn)品樣本，選用一臺標(biāo)準(zhǔn)型交流低壓GGD系列動力柜。柜內(nèi)安裝有總斷路器（具有漏電、過電流保護功能）、支路斷路器（具有漏電、過電流保護功能）、交流接觸器、電流互感器以及數(shù)字式電流電壓儀表。柜內(nèi)主要部件選型如下。

2.4.1 總斷路器

選用一個施耐德SNDSN系列塑殼式漏電斷路器，額定電壓等級為380V，額定電流應(yīng)大于等于2倍設(shè)備的總額定電流，具有漏電、短路保護功能。

2.4.2 支路斷路器

選用施耐德SNDSN系列塑殼式漏電斷路器，額定電壓等級為380V，額定電流為100A，具有漏電、短路保護功能。每個存儲罐配備3個支路斷路器（總數(shù)根據(jù)用戶安裝存儲罐的數(shù)量而定）。

2.4.3 支路交流接觸器

查產(chǎn)品樣本，選用施耐德SNDLCD1-95型交流接觸器，額定電壓為380V，額定電流95A，線圈電壓220V，帶輔助觸頭（2開2閉）。每臺存儲罐配備3個支路交流接觸器（總數(shù)根據(jù)用戶安裝存儲罐的數(shù)量而定）。

2.4.4 避雷器

根據(jù)電壓等級，查產(chǎn)品樣本，選用一組（4個）LKX- M380/4/120型避雷器。

2.4.5 電流互感器

選用3個BH-0.66-30Ⅰ型穿心式電流互感器，電流比為I/5（原側(cè)電流I根據(jù)電熱管總功率確定）。

2.5 自動控制柜

自動控制柜各零部件選型設(shè)計如下。

2.5.1 柜體

選用一臺標(biāo)準(zhǔn)型交流低壓GGD系列動力柜。

2.5.2 控制柜電源總開關(guān)（低壓斷路器）

選用2個（備用1個）控制柜電源總開關(guān)。根據(jù)控制柜最大總輸入功率≤5kW，額定電流≤10A，電壓等級為380V，查產(chǎn)品樣本，選用施耐德DZ47-16型高分斷小型斷路器，三極，400V，16A，具有短路、漏電等保護。

2.5.3 低壓電源避雷器

在控制柜內(nèi)安裝避雷器，防止雷擊時高電壓串入損壞控制系統(tǒng)。根據(jù)電壓等級380V，查產(chǎn)品樣本，選用一組（共2個）LKX-M380/4/80型避雷器。

2.5.4 隔離變壓器

根據(jù)電壓等級、PLC、中間繼電器、電磁閥、磁力啟動器以及傳感器等器件的總功耗，查產(chǎn)品樣本，選用一個長沙玉威公司TDB系列，額定容量500VA，電壓220V/220V隔離變壓器。

2.5.5 開關(guān)電源

為給傳感器、中間繼電器以及觸摸屏等提供可靠的DC 24V電源，控制系統(tǒng)設(shè)置開關(guān)電源。查產(chǎn)品樣本，選擇一個臺灣明緯系列開關(guān)電源，功率350kW，輸入電壓AC 220V，輸出電壓DC 24V。

2.5.6 中間繼電器

為保障PLC工作安全穩(wěn)定運行，PLC輸出端均采用中間繼電器隔離。根據(jù)兩PLC輸出端數(shù)字量通道數(shù)（見以下“PLC輸入輸出點數(shù)統(tǒng)計表”）及各執(zhí)行機構(gòu)的形式和線圈容量，查產(chǎn)品樣本，選擇40個（含備用5個）歐姆龍系列中間繼電器。繼電器觸點為二開二閉，觸點最大接通電流為10A，控制電壓為AC 220V，線圈電壓為DC 24V。

2.5.7 PLC

根據(jù)控制系統(tǒng)的大小和運算處理速度的要求，擬選用三菱FX3U系列PLC。根據(jù)控制需求，暫按安裝4個存儲罐統(tǒng)計，PLC輸入輸出數(shù)字量點數(shù)和模擬量輸入情況[2]，分別如表1、表2和表3所示。

表1 PLC數(shù)字量輸入點數(shù)統(tǒng)計表

表2 PLC數(shù)字量輸出點數(shù)統(tǒng)計表

表3 PLC模擬量輸入點數(shù)統(tǒng)計表

根據(jù)控制功能要求及以上對I/0的統(tǒng)計，PLC的CPU選用三菱FX3U-80MR-001型模塊（該CPU模塊上集成有數(shù)字量輸入I/0共40點、數(shù)字量輸出I/0共40點，電源為AC 220V，輸入電壓為DC 24V）共1塊。另配套選用FX2N-16EX數(shù)字輸入擴展模塊1塊，配套選用FX2N-4AD模擬量輸入模塊5塊[3]。根據(jù)上述選型，列出所選PLC模塊明細表如表4所示。

表4 PLC模塊明細表

2.5.8 熔斷器

根據(jù)開關(guān)電源的額定電流，選擇4個RT18-32X型熔斷器（電壓為380V，熔絲電流為6A）作為隔離變壓器220V輸出側(cè)和24V輸出側(cè)的短路保護。

2.6 各傳感器的選型設(shè)計

2.6.1 水位傳感器

根據(jù)存儲罐高度≤3m，查產(chǎn)品樣本，選用2個瑞士原裝進口TRAFAG8472型傳感器，壓力范圍為0～100kPa。

2.6.2 溫度傳感器

根據(jù)存儲罐內(nèi)熱水溫度≤100℃，查產(chǎn)品樣本，選用2個PT100系列溫度傳感器，測溫范圍為0～200℃。

3 功能實現(xiàn)原理

在存儲罐上安裝水位傳感器（每個存儲罐安裝1個水位傳感器），在線檢測存儲罐中的水位，并將檢測信號傳送至PLC。PLC比較水位實時數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)后，輸出控制信號控制進水閥打開或關(guān)閉，從而控制存儲罐的加水。當(dāng)實際水位低于設(shè)定的“低水位”時，進水閥打開，向存儲罐內(nèi)加水。當(dāng)實際水位高于設(shè)定的“高水位”時，進水閥關(guān)閉，停止向存儲罐加水。這一控制過程確保存儲罐中的水量保持在設(shè)定的范圍內(nèi)。

每個存儲罐安裝有3組電熱管，每組電熱管由1個交流接觸器控制。當(dāng)交流接觸器接通時，電熱管通電，進行加熱；反之，電熱管停止加熱。安裝在熱水存儲罐出水管附近的溫度傳感器（每個存儲罐安裝2個溫度傳感器）將檢測到的水溫信號傳送至PLC，PLC將水溫實時數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)進行比較并輸出控制信號，以控制電源柜中的交流接觸器接通或斷開，從而控制各組電熱管。PLC對水溫的控制采用變形PID控制法，通過增減電熱管通電組數(shù)來控制存儲罐加熱功率。當(dāng)水溫較低時，存儲罐內(nèi)的全部電熱管均加熱，使水溫迅速升高。當(dāng)水溫升高至接近設(shè)定的“高水溫”值時，控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)電熱管通電的組數(shù)，使溫升變慢。當(dāng)水溫達到設(shè)定的“高水溫”值，所有電熱管停止加熱。上述控制過程可以比較準(zhǔn)確地控制存儲罐中的水溫保持在設(shè)定值。熱水系統(tǒng)流程圖如圖2所示[4]。

圖2 熱水系統(tǒng)流程簡圖

4 結(jié)語

將PLC和觸摸屏技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)，使操作簡單、方便。水位、溫度可按照要求進行控制，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性和效率，并能夠通過上位機觀察PLC工作情況和現(xiàn)場的工況，核定相關(guān)參數(shù)，操作靈活方便。