２０１３．Ｎ０ ０４ 机械与自动化 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｎａｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 基于ＰＬＣ的恒温恒压集中供热控制系统设计 陈杰郁炜 （衢州学院 电气与信息工程学院，浙江衢州３２４０００） 摘要：针对某高校学生公寓集中供热控制系统，设计了基于ＰＬＣ的恒温恒压供热控制系统，并介绍了系统的组成、系统的 功能、系统的软件设计及节能效果与系统稳定分析。该控制系统性能稳定可靠，取得了很好的恒压供热效果，节能效果显著。 关键词：变频调速；ＰＬＣ；恒压恒温；节能 中图分类号：ＴＰ２１文献标志码：Ａ文章编号：１００３—５１６８（２０１３）０７—０１２７—０２ 近几年高校学生公寓纷纷建立了集中供热系统，如何使 供热系统发挥最大效益，让学校投资有所值，学生获得满意的 供水质量，成为重要的问题。为达到节能降耗，减少人工与安 全等目的，学校进行了基于ＰＬＣ的学院学生公寓供热系统的 恒压恒温的自动控制改造设计。 本文主要阐述该恒压恒温供热系统的组成，功能硬件的 组成和软件的设计。 １系统组成 恒温恒压供热控制系统如图１所示。供热系统由超声波 液位计、温度传感器、温度变送器、压力变送器、流量计、变频 器、两台泵、电锅炉和西门子ＰＬＣ组成。其中，控制系统中的 的ＰＬＣ采用西门子ｓ７—３００系列中的ＣＰＵ３１５—２ＤＰ及 ＳＭ３２１、ＳＭ３２２、ＳＭ３３ １、ＳＭ３３２模块。 系统以西门子ＰＬＣ作为主控单元，接收来自供热系统的 各种信号，对泵、电锅炉及各种阀进行调节和控制。供热系统 分为手动／自动控制的两种方式，同时通过ｗｉｎｅｃ组态界面（见 图２）进行切换和操作，操作人员也可以在现场进行对设备的 操作和观察设备的运行状态。 ｈ牲辩ｌ常 图ｌ恒温恒压供热系统构成结构图 ｉ 图２系统ｗｉｎｃｅ组态界面 图２中ｗｉｎｃｃ组态界面上显示的参数有，蓄水池液位、蓄 水池水温、总出水管压力、实际用户使用的温度、电机运行情 况、电机的输出频率、电锅炉的输出功率、阀门的开度、手动自 动的运行情况等。蓄水池液位上限、下限值及各种要求的数 据量参数可以在ｗｉｎｃｅ组态界面上设定。压力传感器将测量 的压力转换成为４～２０ｍＡ的标准信号送给ＰＬＣ的ＳＭ３３１模 块，由ＰＬＣ与设定的压力进行比较，通过ＦＢ４１模块（ＰＩＤ）处理 后输出给变频器，变频器调节泵的工作频率，以达到一个变频 调速的结果。超声波液位传感器将检测的液位与设定的液位 相比较，比较结果也是通过ＦＢ４１模块（ＰＩＤ）处理，控制阀门的 开度，从而控制注水量，以达到一个液位的平衡。 系统还设定了工作时间，用户可在ｗｉｎｃｃ界面上看见时 间，还可设定系统的运行时间，在不需要系统运行的时候，关 闭系统，节约资源。系统能够自诊断，当供热系统中的泵发生 过载、缺相、短路、传感信号不正常、出水的温度过高等危险 时，会停止泵的运行，并发出声音报警，提醒系统正在危险的 运行中并通知维修人员维修处理。 图３所示是工频变频控制电器主回路的电气原理图，两 台三相交流异步电动机，功率分别为５ＫＷ和１５ＫＷ，当Ｍ１电 机处于工频时，电机变频运行，就先关闭ＫＭ１开关，然后打开 ＫＭ２，变频器就控制了Ｍ１电机运行了。然后ＰＬＣ将比较的压 力差值ＰＩＤ结果后送给变频器，变频器就控制电机的输出频 率，已达到出水管道的出水压力稳定。 图３电气主回路原理图 ２系统功能 供热系统为生活带来了方便。公寓不需要供热水时，可 以设置时钟定时供水。超出定时时间，系统就自动关闭。实 现在系统不运行的时间段不运行，节约了能源损耗。 ２．１运行准备 当供电开关合闸后，激活ｗｉｎｃｃ界面，ＰＬＣ开始工作后，点 击ｗｉｎｃｃ界面上的总控制开关，运行准备就完成了。 ２．２手动运行方式 当选择手动运行方式时，观察各种数据量，然后手动点击 各种控制按钮，调节阀门开度，调节泵的运行情况，调节电锅 炉的输出功率。 ２．３自动运行方式 当选择自动运行方式时，在ｗｉｎｃｃ界面上点击的自动运行 方式，然后，设置锅炉内达到的温度、出水的压力、出水的温 度、电锅炉中的液位，最后ｗｉｎｃｅ界面上点击启动按钮，变频器 输出频率给１号电机，电机从ＯＨｚ开始运行到工频。当出水 管道的出水量升高时，会减小出水管道的压力，继续增加出泵 的输出频率。当出水量稳定时，出水管道的压力也稳定下来， 变频器就稳定的输出此时的频率给电动机，达到系统的出水 压力平衡。锅炉水位的高度会在ｗｉｎｃｃ界面上液位显示，当液 位减小时（低于设定值），会加大阀门的开度以来达到恒定的 水位。根据出水温度调节２个出水阀的开度，从而达到出水 的温度。 （下转第１８１页） １２７ ２０１３ Ｎ０．０４ 能源与环境科 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｎａｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 可将视为完全混合反应器。依据质量平衡得到完全混合模型 表述式为： Ｑ（Ｃ 一Ｃ）＝Ｋ、ＶＣ （２） 式中：Ｃ 、ｃ一分别为流人和流出水库的污染物浓度； Ｑ一流入水库的水量； Ｋ 一一级反应速率常数； Ｖ一湖库库容； 湖库允许纳污量计算公式由上式导出： Ｗ＝ＱｃＥ≤（Ｋ１Ｖ＋Ｑ）Ｃｓ （３） 式中：ｗ为容许排污量；Ｃｓ为水质标准； 当外源或客水作为背景容量占用时，有： ＱＣＥ＝ＱｂＣｂ＋Ｑ Ｃ （４） ４．３水环境容量计算结果 市政府明确同沙水库为东莞市重点保护的备用水源之 因此，以《地表水环境质量标准》（ＧＢ３８３８—２００２）Ⅲ类水 质标准作为水质保护目标。将２００８年同沙水库的水质监测数 据代入水质模型，得到水库主要污染物ＣＯＤ ＴＮ、ＴＰ和ＮＨ Ｎ的环境容量，计算结果见表５。 表５同沙水库水环境容量（单位：ｔ／ａ） 一，一项目 ＣＯＤｃ ＴＮ ＴＰ ＮＨ 一Ｎ 总环境容量 污染负荷量 自然湿地削减量 ２４５４ ７６６１ １２００ １２１ ２３３９ １２０ ６．０ ７２．９ １５．０ １２１ １２４７ ９０ 则水库流域内的允许排放量为： Ｑ Ｃ ≤（Ｋ１Ｖ＋Ｑ）Ｃｓ—ＱｂＣ （５） 式中：Ｃ ＣＢ一分别为流入水库水源保护区污水及径流混 合浓度和客水背景浓度； Ｑ 、Ｑ 一分别为水库水源保护区污水及径流量和流入水 库的客水水量。 同沙水库的水环境容量分析按式（５）计算。 ４．２水质模型参数选择 同沙水库水质控制指标选取ＣＯＤ 、ＴＮ、ＴＰ、Ｎｉｌ Ｎ鑫；考其他水库测试数据，各污染物的自净系数见表４。 表４污染自净系数Ｋ取值（单位：ｄ ） 一已用环境容量 剩余环境容量 ６４６１ —４００７ ２２１９ —２０９８ ５７．９ —５１．９ １１５７．０ —１０３６ 由表５可知，即使充分考虑现有自然湿地的净化作用，每 年还需要通过其他措施降低至少４００７ｔ的ＣＯＤ 、２０９８ｔ的ＴＮ、 ５１．９ｔ的ＴＰ和１０３６ｔ的ＮＨ 一Ｎ的污染负荷，才能保证入库污 染物量不超出同沙水库的自净能力。 参考文献： 项目 ＣＯＤｃ ＴＮ ＴＰ ＮＨ３一Ｎ 自净系数 Ｏ．１ ０．Ｏ５ Ｏ．Ｏ３ ０．０４ ［１］方国华，于凤存，曹永潇．中国水环境容量研究概述 ［Ｊ］．安徽农业科学，２００７，３５（２７）：８６０１—８６０２． ［２］孔邦杰，章志攀，俞益武等．台州长潭水库水环境容量 分析【Ｊ １．人民长江，２００８，３９（１３）：６０—６４． ［３］樊华，陈然，刘志刚．柘林水库水环境容量及水污染控 制措施研究ｌ Ｊ １．人民长江，２００９，４０（２４）：３９—４３． （上接第１２７页） Ｑ ［＝ —《≥——ｔ ｌＴＩｎｘ 匾麴 ３／４Ｑ ｌ／２Ｑ 尝 警 董 ：窝搴 薰 霉 ‘图５主程序流程图 ＿ｒ １／４Ｑ 图４泵组交替工作示意曲线图 （１）上行。当水管流量增大，水管的出水压力就减小了， 则平衡被破坏，就产生偏差。这时，就增加电机的频率，以保 证恒定的压力。当系统的流量进一步的增加，此时ｌ号泵 （小）工频运行时，仍达不到给定液位时，这时，系统会自动切 换２号泵（大）变频使系统达到平衡。当２号泵频率达到工频 时，仍然未达到给定的出水压力时，打开１号泵变频运行。就 可以保证系统供水。电机的工作顺序为１＃＿÷２＃一１ ＃。 （２）下行。当水管流量减少，水管的出水压力就增加了， 这时就要减小电机的频率，就可以使系统重新平衡，从而保证 出水管道的恒定压力。当流量进一步继续减少时，变频运行 的２号泵在低频工作下任不能，此时，就停止２号泵（大）的电 动机启动１号泵（小）变频运行，改变了泵的运行频率，从而减 小了泵的输出功率。电机的工作顺序为１鼻２＃一２＃一１＃。 ３系统软件的设计 小时，通过变频调速装置将供水水泵转速调小，则水泵的输出 功率将随转速的变化而减小。 与传统的相比这个系统还增加了一个调节阀门的开度，来 调节出水的温度，使出水的温度达到人体正常洗澡的水温，而不 是远远高于洗澡时的水温而另外要配一个调节冷水的管道。 另外，系统不需要操作人员频繁的操作，实现了自动化。操 作人员只需简单的在ｗｉｎｃｃ的界面上设置，系统就自动运行。 参考文献： ［１］郁炜，汪家养．变频调速在供水系统中的应用研究 ［Ｊ］．《机电工程｝２００８（７） ［２］赵勇刚，郁炜．基于ＰＬＣ的供水系统变频节能的改造 ［Ｊ］．《机电产品开发与创新｝２００８（７） ［３］西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团．深入浅出 西门子Ｓ７—３００ＰＬＣ ［４］西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团．深入浅出 西门子ＷｉｎＣＣ 如图５所示，先将液位、压力、温度等参数进行初始化设 定，然后选择手动还是自动。系统就选择手动运行的方式还 是自动运行的方式。而流量累计程序无论在手动还是自动的 情况下都是实时累计的。 ４节能效果与系统稳定分析 作者简介： 陈杰（１９９２年一），男，浙江温州人，衢州学院电气自动化 专业。 郁炜（１９７４年一），女，江苏如东人，副教授，主要研究方 向：检测技术及其智能控制。 １８１ 采用变频调速的方式给用户提供热水，系统供热时，水泵 的输出功率Ｐ与转速１３．的三次方成正比，当系统出水流量减
