郝曉龍

摘要：該文進(jìn)行了基于可編程邏輯控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)的供暖節(jié)能控制管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)。利用該系統(tǒng)可提高鍋爐的運(yùn)行效率和燃料的燃燒的效果，不僅降低了操作人員的工作強(qiáng)度，更能提高供暖系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，從而提高了工作效率。該系統(tǒng)安全可靠，操作簡(jiǎn)單易行，界面友好，具有很好的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：供暖；節(jié)能；管理系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）03-0226-02

佳木斯大學(xué)供暖期一直采用自有鍋爐系統(tǒng)供暖，因鍋爐及相關(guān)設(shè)備陳舊，耗煤量大，生產(chǎn)效率低，環(huán)境污染程度較高。而且，采用自有鍋爐供暖，沒(méi)有進(jìn)行自動(dòng)化控制，對(duì)外界環(huán)境因素考慮得不及時(shí)。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，供暖強(qiáng)度沒(méi)能夠及時(shí)降低，而當(dāng)室外環(huán)境的溫度降低下降的時(shí)候，供暖系統(tǒng)又不一定能夠及時(shí)地加強(qiáng)供暖，提高到適當(dāng)?shù)臏囟取Ａ硗?，校園面積大，分布廣，而且教學(xué)樓、辦公樓、寢室樓的人員分布不一，但供暖強(qiáng)度卻都是一樣的。這些因素都導(dǎo)致了學(xué)校雖然花費(fèi)大量人力、物力，下大力氣進(jìn)行供暖系統(tǒng)的檢查、監(jiān)督和管理工作，但卻沒(méi)達(dá)到預(yù)想的效果。因此，為了提高鍋爐的運(yùn)行效率和燃料的燃燒的效果，提高工作效率，節(jié)約資金和能源，更好地服務(wù)為全校師生，必須開(kāi)發(fā)出一套適合佳木斯大學(xué)具體情況的供暖節(jié)能系統(tǒng)，并對(duì)相關(guān)的設(shè)備進(jìn)行全面地升級(jí)和改造。

1 供暖系統(tǒng)中的可編程邏輯控制技術(shù)

一般北方的供暖系統(tǒng)是都是由供熱源、供熱輸送管道和散熱設(shè)備等幾部分組成的。在這種供暖系統(tǒng)中，編程邏輯控制器主要應(yīng)用于整個(gè)工作過(guò)程的三個(gè)階段中：輸入數(shù)據(jù)采樣階段、程序的執(zhí)行階段和輸出刷新階，這三個(gè)工作階段構(gòu)成了一個(gè)數(shù)據(jù)的掃描周期。

可編程邏輯控制器以?huà)呙璧姆绞?，依次地讀入所有輸入的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲(chǔ)。然后就進(jìn)行到程序的執(zhí)行階段，再然后才是輸出刷新階段。當(dāng)進(jìn)入了程序的執(zhí)行階段和輸出刷新階段后，映象區(qū)中的數(shù)據(jù)就不再發(fā)生變化。即使這個(gè)時(shí)刻，在執(zhí)行的過(guò)程中，輸入的狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，映象區(qū)中的相應(yīng)單元數(shù)據(jù)也不會(huì)隨之發(fā)生改變，始終保持掃描時(shí)讀入的數(shù)據(jù)[1]。

在供暖系統(tǒng)中，利用可編程邏輯控制器，再配合使用各種不同功能的傳感器，就可以將管道中所受的壓力的數(shù)據(jù)，通過(guò)傳感器采集出來(lái)，利用系統(tǒng)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，再通過(guò)變頻器，實(shí)時(shí)地對(duì)泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整控制，便可以使管道中的壓力及時(shí)地得到調(diào)整，以保持在適合的范圍之內(nèi)。另外，系統(tǒng)中還配有相應(yīng)的電流超負(fù)載、電壓超負(fù)荷以及斷水等相關(guān)的保護(hù)裝置，并配有備用裝置，一用一備，避免意外發(fā)生。

本系統(tǒng)采用兩臺(tái)系列可編程控制器進(jìn)行程序的開(kāi)發(fā)與控制。利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行鍋爐運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)控制，就可使鍋爐保持在最佳的工作狀態(tài)。一直實(shí)時(shí)地調(diào)整數(shù)據(jù)，保持最佳狀態(tài)運(yùn)行，才可以提高鍋爐運(yùn)行時(shí)的的效率，發(fā)揮燃料燃燒的最佳效果。不僅會(huì)節(jié)約能源，還能達(dá)到環(huán)保的效果。

通過(guò)利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理，這樣，操作人員在控制室就可以全面、實(shí)時(shí)、精確地掌握供暖系統(tǒng)中各硬件部分的運(yùn)行狀況。不僅降低了操作人員的工作強(qiáng)度，更能提高供暖系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，從而提高了工作效率。

2 供暖系統(tǒng)中控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)主程序模塊圖

供暖系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)由鍋爐系統(tǒng)控制模塊、系統(tǒng)運(yùn)行控制模塊、模擬量采集控制模塊、循環(huán)泵系統(tǒng)控制模塊、通信處理模塊等五大功能模塊組成，如圖1系統(tǒng)主程序模塊圖所示。

1）鍋爐系統(tǒng)控制模塊：可進(jìn)行鍋爐系統(tǒng)的控制，實(shí)時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以及時(shí)調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)和爐排電機(jī)等的變頻器頻率；

2）鍋爐運(yùn)行控制模塊：不僅可以進(jìn)行鍋爐燃燒系統(tǒng)啟動(dòng)、停止的控制，還可以完成鍋爐補(bǔ)水系統(tǒng)以及循環(huán)系統(tǒng)中的電機(jī)的啟動(dòng)和停止的控制功能；

3）模擬量采集控制模塊：完成對(duì)所有的模擬量進(jìn)行采集，并進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，變成所需的浮點(diǎn)數(shù)；

4）循環(huán)泵控制模塊：該模塊可進(jìn)行循環(huán)泵系統(tǒng)中的所有電機(jī)的啟動(dòng)和停止的控制，以及各項(xiàng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)定。

5）通訊處理模塊：主要負(fù)責(zé)編程邏輯控制器與變頻器的通信功能。可對(duì)變頻器頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行初始的設(shè)定，還可以完成變頻器的頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的功能，以及變頻器的電壓、電流、功率等參數(shù)的采集。

2.1 鍋爐系統(tǒng)控制模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

鍋爐系統(tǒng)控制模塊主要完成的是鍋爐系統(tǒng)的控制功能，可以確定鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)和爐排電機(jī)的變頻器頻率。當(dāng)設(shè)定了水的溫度和爐膛負(fù)壓數(shù)據(jù)的臨界值以后，再經(jīng)過(guò)PID控制器的運(yùn)算，確定出目前運(yùn)行時(shí)的溫度和爐膛負(fù)壓值，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)地對(duì)傳遞函數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，快速的跟蹤系統(tǒng)數(shù)據(jù)的變化，從而精確地確定電機(jī)的轉(zhuǎn)速。設(shè)計(jì)流程圖如圖2鍋爐系統(tǒng)控制模塊流程圖所示：

圖2 循環(huán)泵控制模塊流程圖

2.2 循環(huán)泵控制模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

循環(huán)泵控制模塊的主要功能就是進(jìn)行循環(huán)泵系統(tǒng)中的各項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制。首先，進(jìn)行變頻器頻率的設(shè)定，根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)確定循環(huán)泵系統(tǒng)中水泵電機(jī)的啟動(dòng)或停止，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)出水壓力值的控制等控制功能。該系統(tǒng)，可根據(jù)出水的壓力值的設(shè)定，確定是否啟動(dòng)循環(huán)泵。當(dāng)啟動(dòng)循環(huán)泵以后，進(jìn)行變頻器頻率的調(diào)節(jié)，通過(guò)PID控制器對(duì)壓力進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)，使水壓力在符合要求的范圍內(nèi)，達(dá)到出水壓力的穩(wěn)定。本系統(tǒng)中循環(huán)泵控制模塊的設(shè)計(jì)流程圖如圖3循環(huán)泵控制模塊流程圖所示：

圖3 循環(huán)泵控制模塊流程圖

3 變頻調(diào)速技術(shù)

傳統(tǒng)的供暖系統(tǒng)中，一些風(fēng)機(jī)、各種泵類(lèi)設(shè)備，大多數(shù)采用的都是異步電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的工作方式。采用用這種運(yùn)行方式啟動(dòng)設(shè)備的時(shí)候，瞬間電流較大、還將會(huì)產(chǎn)生機(jī)械的沖擊。另外，這種方式還存在著電氣保護(hù)特性差等諸多缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)導(dǎo)致了設(shè)備的使用壽命降低，當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)了機(jī)械故障的時(shí)候，傳統(tǒng)的運(yùn)行方式不能產(chǎn)生實(shí)時(shí)的響應(yīng)動(dòng)作，及時(shí)地進(jìn)行設(shè)備保護(hù)，將經(jīng)常造成泵類(lèi)設(shè)備的損壞，電機(jī)也隨之燒毀[2]。

而采變頻調(diào)速技術(shù)，用變頻器的原理，把原本電壓、頻率固定的交流電進(jìn)行變換，將其轉(zhuǎn)換成電壓、頻率都可以調(diào)節(jié)的交流電。這樣，通過(guò)電機(jī)工作電源頻率的改變，就可達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。這種電機(jī)的軟啟動(dòng)，避免了傳統(tǒng)電機(jī)工作方式帶來(lái)的危害，新的變頻技術(shù)不僅解決電機(jī)啟動(dòng)瞬間電流過(guò)大的問(wèn)題，還可以減小電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的噪聲，另外還可保護(hù)電機(jī)，避免頻繁啟動(dòng)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生的沖擊。這些優(yōu)點(diǎn)都具有有效地保護(hù)設(shè)備，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命的作用[3]。

本系統(tǒng)采用70KW、35KW的變頻器各一臺(tái)。其中，大功率變頻器用來(lái)控制引風(fēng)機(jī)，而 35KW的變頻器用來(lái)控制鼓風(fēng)機(jī)。采用變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)了本系統(tǒng)中電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速提高了工作效率，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

4 結(jié)束語(yǔ)

供暖是北方高校每年冬季都要面臨的問(wèn)題，引入這套基于可編程邏輯控制器和變頻調(diào)速技術(shù)的供暖鍋爐控制系統(tǒng)可有效減少學(xué)校用于供暖經(jīng)費(fèi)的支出，為學(xué)校減輕負(fù)擔(dān)。本文通過(guò)理論論證，又結(jié)合佳木斯大學(xué)實(shí)際情況研究出的這套供暖管理系統(tǒng)，通過(guò)變頻器控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)運(yùn)行，達(dá)到了減少燃料消耗，降低供暖運(yùn)行成本的目標(biāo)。采用計(jì)算機(jī)控制和變頻控制的鍋爐系統(tǒng)還大大提高了生產(chǎn)自動(dòng)化水平，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，該系統(tǒng)安全可靠，運(yùn)行起來(lái)操作簡(jiǎn)單。為今后其他單位實(shí)施供暖系統(tǒng)改造與供暖管理方面提供參照依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 熊建國(guó).基于PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.