第28卷 第4期2021年4月仪器仪表用户INSTRUMENTATION
Vol.28
2021 No.4
李 炜，余延磊
（吉林工程技术师范学院 电气工程学院，长春 130052）
摘 要：
供暖系统在国内北方地区发挥着极为重要的作用，但传统换热站基本靠人工经验对供暖系统进行调节，很容易造成不必要的能源浪费。针对以上问题，以PLC 作为控制器对换热站进行结构改善，能及时有效地对整个供暖系统做出自动调节，提高系统的工作效率。关键词：换热站；PLC ；变频器；系统设计
中图分类号：TP272 文献标志码：A
Heat Exchange Station Based on PLC Control Technology
Li Wei ，Yu Yanlei
（Jilin Normal College of Engineering and Technology, Electrical Engineering, Changchun, 130052,China）
变频器恒压供水Abstract：The heating system plays an important role in the north of our country, but the traditional heat exchange station adjusts
the heating system by the artificial experience, which is easy to cause the unnecessary energy waste. In view of the above problems, uses PLC as the controller to improve the structure of the heat exchange station, which can adjust the whole heating system auto-matically and improve the efficiency of the system.
Key words：heat exchange station；PLC；frequency converter；system design
DOI:10.3969/j.issn.1671-1041.2021.04.005
文章编号：1671-1041(2021)04-0016-03
收稿日期：2020-11-11
基金项目：吉林省教育厅项目（JJKH20190769KJ）。
作者简介：李炜（1980-），女，长春市人，硕士，讲师，研究方向：电气自动化。
0 引言
随着科学技术的不断进步，现代化生活设备得到很大的改善，换热站也经历着一次又一次的技术升级，供暖功能不断完善，为人民提供更好的基础生活保障。但目前换热站依然存在众多问题。例如，当前供暖系统的管理工作还存在较大缺陷，主要依靠传统落后的人力进行管理，而目前大多数人员的节能降耗意识较差，容易忽略甚至缺少节能环节，在一定程度上增加了不必要的资源浪费。采用人力进行管理，每2～3天就需要对换热站设备进行一次维护检查，需要大量的人力资源，所以现代换热站不但浪费人力资源，还使供暖系统的工作效率得不到显著提高[1]。
针对以上问题，提出建造智能自动供暖系统的方案。本系统以PLC 为控制核心，加以变频器对电机的变速控制，依据换热站现场状态信息、换热站内外温度乃至天气情况等因素自动完成对室内温度的调控，从而实现供暖无人化、智能化，能够有效解决之前出现的人力资源和能源的浪费，保证了换热站快速安全的运行，极大提高供暖系统的工作效率。
1 换热站结构及原理
1.1 换热站工作原理及改进方法
供暖系统分为一次网络和二次网络，换热站就是两个
李 炜·基于PLC控制技术的换热站系统设计
第4期17
图1 改造后换热站的结构图
Fig.1 Structural diagram of heat exchange station after
transformation
图2 分阶段改变流量的质调节方式的控制原理图Fig.2 Control schematic diagram of quality control mode of
changing flow in stages
网络的中间枢纽。其工作原理为：换热站接收来自火电厂等热源输送过来的热水，将热水与循环水混合后，再次通过网管输送给用户，这样热能就被传递到了用户处。由于热能在输送和用户处会不断消
耗，所以要不定时利用循环水泵将用户处热水送回换热站，换热站中的换热器再次将其加热循环使用。因此，换热站就是利用供水和回水之间
的温差达到给用户供暖的目的。这个过程基本凭借工作人员的实际经验进行手动调节，具有较强的主观因素，容易增大能耗的浪费。
现对换热站进一步改造升级，主要是在其结构上增加了调节和控制设备，让换热站的运行调节更加科学合理，在为用户正常供暖的前提下，把能源的利用率提到最高。改造后换热站的结构如图1所示。
改造之后的换热站，其优点主要在：可以利用PLC的信息处理和变频器对电机的调速功能，实现温度和循环水量的自动调节，不再需要人为的操作，更加安全可靠。
1）温度的调节控制
传统二级水热交换器的温度由人工进行测量和计算，当工作量过大时，二次供水的温度很难保证在合适值附近。本系统提出用PLC作为温度的检测和控制器，设定一个合适的温度值，温度传感器直接将温度信号传给PLC，可以及时做出合理的温度调节控制，保证了二次供水温度始终稳定在给定值附近。
2）循环水量的调节控制
在供暖系统的正常运行过程中，供暖负荷会随着一些外部因素的变化而改变，如室外温度。如果室外温度偏高，却仍然按照预先设计的供暖负荷进行加热，就会浪费掉一部分资源，这时候应该降低供暖负荷，所以本系统提出分级改变流量的方法进行调节。
如图2所示。设定一个固定温度值T0，循环水泵的工频运行为f0，以此为参考标准。当T≥T0时，循环水泵实际运行频率f=f0；当T＜T0时，循环水泵实际运行频率f=0.75×f0。
3）补水定压方式的改进
对于管道内水的压力，人力控制的精度不高，很难达到恒压供水。所以采用变频器恒压供水的方法对其进行完善，如图3所示。
压力传感器把管内水的压力信号P传递给调节器，调节器把P与设定好的固定压力值P0进行对比，将比较结果传给变频器[2]，变频器根据比较结果的不同而对水泵进行相应的转速调节。当P＜P0时，变频器驱使水泵转速加快；当P=P0时，变频器驱使水泵转速保持不变；当P＞P0时，变频器驱使水泵转速减慢。
1.2 换热站的节能分析
下面是水泵转速与扬程、流量、轴功率的关系变化图，如图4所示。
设水泵原来的转速为n0，原来的耗电量为W0；通过变频器调速后的转速为n，耗电量为W。当n=n0×80%时，W=W0×51.2%；当n=n0×50%时，W=W0×12.5%。由以上数据可以看出，通过变频器对水泵的无级调速，可以节省出相当可观的一部分电能。
2 硬件系统设计
2.1 硬件系统结构设计
基于PLC的换热站系统组成如图5所示。
图3 利用变频调速技术进行补水定压的结构图
Fig.3 Structure diagram of water supply and constant pressure by
using frequency conversion speed regulation technology
第28卷18仪器仪表用户INSTRUMENTATION
图4 水泵流量、扬程和轴功率与转速关系图Fig.4 Relationship between pump flow, head, shaft
power and speed
图5 硬件系统框图
Fig.5 Hardware system block diagram
该硬件系统主要由PLC，含特殊功能模块A/D，D/A；换热器、液位传感器、管网压力表；变频器[3]；水泵机组、管道、相关低压电器等组成。
PLC作为本系统的主控制器，接收来自各种传感器、外部控制开关和变频器的信号；电器组负责PLC与变频器、水泵机组之间的信号传递与转换；变频器驱动机组工作并保持和PLC的信号交换；机组作为最终的执行机构，对供暖系统整个管道内的热水进行调动。
PLC接收系统各个部分传来的信号后，经过自身内部的程序运算，输出对应的数字量给电器组、对应的模拟量给变频器。然后通过变频器控制机组，进行供暖热水的循环。管道上的压力传感器及时反馈压力信号给PLC，PLC 再根据液位、压力等传感器传送过来的信号，对供暖系统做出相应的调节，如补水、冷凝、污水处理等。
2.2 换热站供电设计
由于换热站在供电系统中属于三级负荷，直接从外部电网引入进电线作为电源即可。本文采用的是380V低压电路，所有水泵机组均为三相电机。地线的接线采用TN-S 接线方式，即把零线和设备地线独立分开，可以有效提高裸露金属外表设备的安全性，最大程度上削减对人员的安全隐患。控制线路使用常见的放射式接线法，保证控制电路和主电路之间的互不干扰，提高系统供电的方便性和稳定性。
3 软件系统设计
3.1 启动程序
程序开始启动运行，当液位传感器检测到水位符合预先设定的要求时，PLC给变频器开始驱动1#水泵缓慢运行的信号，此时PLC也会收到来自压力传感器的压力信号，经过对压力信号的运算给出变频器适当的输出频率。如果
检测到管道供水压力不够，则频率上升至最高频率50Hz。一段时间后，1#水泵改为工频运行，变频开始启动2#水泵，增加2#水泵的频率，直到供水压力达到目标值。2#水泵仍达不到目标压力值，就依次类推增加水泵。
3.2 水泵切换程序
1）循环泵控制
本系统中循环水泵共3台，一般情况只会用到两台，另一台作为备用使用。如果循环水泵出现故障能及时补上，运行的两台循环水泵由变频器依次启动。设计手动/自动均可控制循环水泵，只有在自动控制状态下，循环泵可以3台电机一起运行。
2）补水泵控制
本系统中循环水泵共两台，一台正常运行，一台作为备用。PLC接收来自管道的压力信号后，输出合适的信号给变频器，变频器驱动补水泵运行，让管道压力处于一个合适的数值，保证供水的正常进行。
3）冷凝泵和污水泵控制
本系统中冷凝泵和污水泵各有3台，具体需要几台泵运行根据实际情况而定。当需要多台泵运行时，需要变频器逐一启动，一次只能启动一台。当需要进行冷凝（污水）处理时，要先让变频器通上电，按下启动按钮后，控制柜上的指示灯被点亮[4]，变频器开始驱动冷凝（污水）泵工作。如果一台泵不够用，就依次启动剩余的泵，直到冷凝（污水）工作达到理想状态。
4 结束语
综上所述，本文对于现今换热站能耗浪费较大的问题，重新设计出一项高效节能的自动调节换热站，利用PLC和变频器实现换热站的自动调节，提高了资源调度和节约复用的效率，为供暖系统提供了充分的全方位的安全保障，实现了管理的自动化和简易化，更加便于统一调度管理，值得推广。
（下转第35页）
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第4期
祁立宾·大型煤化工项目输煤程控系统的优化
表2 电缆长度和费用表
Table 2 Cable length and cost table
表1 配置表
Table 1 Configuration table
破碎楼、1个卸煤地槽、1个锅炉煤仓间和1个气化煤仓间。经统计，装置区内的设备一共有1722个点信号（包括1095个DI、392个DO、217个AI、18个AO），其中最远设备离控制室600m。
最初设计是将I/O 模块集中布置在控制室，因装置区设备太分散而且数量过多，经过统计设备所需的控制电缆，发现其长度和数量大大超出预期，而且也导致桥架内无法敷设这么多的电缆。同时，该项目还有二期，包含6个配煤筒仓。为了节省控制电缆，减少敷设工作量，便于控制系统的扩展，对原有设计进行了优化而采用远程I/O 站的方案。新方案结合设备分布和桥架的布置情况，分别在4#转运站、破碎楼和筒仓3个位置设置了1个远程I/O 站，并预留了二期I/O 站接口。
以下按项目使用的西门子PLC 系统，对两种方案在配置和费用两方面进行对比，分别见表1、表2。
1）配置2）费用
按照用户采购设备清单的价格可以得到不同配置的两种方案所需费用。经过统计，两方案相差的控制电缆费用如表2。
方案二增加的费用主要是防爆I/O 柜、电源柜、光纤交换机、光纤和辅料等设备的费用，按照厂家提供的价格清单计算，设备费用总计20.3万元。
因此，两种方案的费用相差166.54万元，可见采用方案二能节省一笔不菲的费用。需要指出的是此项目部分装置未采用远程I/O 站，同时，考虑二期全部采用远程I/O 站的方案，可以预估，如果该项目都采用方案二的设计，带来的经济效益将更加可观。
5 结束语
在煤化工项目规模逐渐大型化后，输煤系统要求实现可靠的控制和稳定的运行目标，就要优化以往的设计方案。因此，本文提出应用远程I/O 站的新方案，通过对两方案的介绍及在项目应用实例中的对比，可以看出新方案能很好地解决以往设计存在的问题，同时具有节省电缆，降低成本、设计简便、可靠性高和便于扩展的优势。因此，可在今后大型煤化工项目输煤系统中推广应用。
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