分布式燃气热水供热PLC控制系统

分布式燃气热水供热PLC控制系统

陈豪杰

舟山市蓝焰燃气有限公司浙江舟山市316000

摘要：分布式供热系统是能布置在用户附近并独立提供电、热或冷的小型模块化能源系统,具有环保高效、使用安全、操作方便等特点。本文重点分析了分布式燃气热水供热PLC控制系统。

关键词：分布式供热；PLC控制系统；控制回路

PLC应用于分布式燃气热水供热系统，可实现智能化控制。采用现场总线技术，既可降低电缆及其安装费用，又可减轻PLC处理PID运算的工作压力。尤其是采用“室外温度补偿控制+室温反馈控制”质调节控制模型，动态调节控制供热供水温度，既保证了供热质量，又可节约能源，降低供热运行成本。该系统结构简单、操作简便、控制灵活、运行稳定可靠，投入运行后，取得了良好的社会、经济效益。

一、分布式燃气热水供热系统简述

某新建楼群采用分布式燃气供热系统，系统主要包括：天然气热水燃烧炉、内循环泵、板式换热器、供热循环热水泵、热水供水和回水管道、天然气管道、定压补水和泄压装置、软化水处理器、废气烟囱、供热末端采暖点的暖气片、仪表和PLC控制系统等。

燃烧炉加热后的热水输送到板式换热器经热交换后，由内循环泵送回燃烧循环加热。换热器置换出的二次网的高温热水，通过分水器送到宿舍楼采暖点散热器。经过散热器散热后的低温热水返回到集水器，由供热循环泵输入换热器置换热水。定压补水和泄压装置作为供热系统的辅助系统，保证了外循环系统供水压力稳定和供热系统安全。

二、PLC控制系统概念

PLC控制系统，ProgrammableLogicController，可编程逻辑控制器，专为工业生产设计的一种数字运算操作的电子装置，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，它是工业控制的核心部分。

三、控制系统

1、控制系统结构。控制系统由S7-1200系列PLC、仪表、电动执行器和触摸屏等组成。燃烧炉头带控制器，控制器用于控制燃气调节阀。变频器、炉头控制器和楼室内温度传感器作为Modbus从站，通过RS-485通信总线与PLC主站建立数据通信连接。触摸屏为人机界面，在触摸屏上设有组态工艺流程、实时数据、报警参数、参数设置、开停车等界面，用于显示实时参数和设置控制参数。

2、测控点设计和PLC硬件配置。供热系统工艺检测控制图如图1所示。图中：P1、P2、P3分别为外循环泵、内循环泵、补水泵。根据工艺控制要求，设计工艺检测仪表和执行器。其中，TE为温度检测，PT为压力检测，TV为燃气电动调节阀，PV为泄压电磁阀，UVF为变频器。检测项目包括:换热器二次侧出水温度、集水器温度和压力、分水器温度和压力、户外环境温度等。执行器包括:天然气电动调节阀、泄压电磁阀、定压补水变频器、外循环供水变频器。

图1

根据测控点的数量和设备手/自动操作功能、设备保护功能、设备启停控制输出功能、通信功能要求，PLC配置1214CDC/DCRLY型号的CPU模块、SM231热电阻模拟量输入模块、SM231模拟量输入模块和SM241信号模块各一块。CPU1214CDC/DCRLY模块24VDC供电，共有开关量输入14点，继电器开关量输出10点，设备启停控制开关、热继电器反馈等信号接入该模块的开关量输入通道，电机、电磁阀、变频器的启停控制接入该模块的开关量输出通道。Pt100热电阻检测的温度信号接入SM231热电阻模拟量输入模块的输入通道，压力变送器信号接入SM231模拟量输入模块输入通道。

四、主要控制策略

1、供热系统供水温度控制

1）供热供水温度控制模型。室内供热有三种基本的调节方式，即质调节、量调节、间歇调节。本系统基于质调节理论，建立供热供水温度控制模型。将其应用到供热系统时，室外温度补偿控制是非循环性控制方式，单纯靠室外温度补偿控制不能有效控制室内温度。因影响室内温度的因素除室外温度外，还有太阳辐射热、风速等外部因素，以及人体、照明、电器产品发热等内部因素。这些因素可能造成室内供热温度高于或低于目标值，所以在实际应用时要进行修正；否则会造成室温偏高时能源浪费，室温偏低时供热质量不达标。

因此，在实际应用中，采用室外温度补偿控制+室温反馈控制的方式。随室外温度的变化确定供水温度，再根据反馈的室温二次调解供水温度的控制。引入室温反馈后，修正后的质调节供水温度控制模型的控制思想是以室内舒适温度为目标控制值，通过模型计算确定合适的动态输出值，自动控制燃气阀门开度，从而控制供水温度，达到控制室温的要求。

2）供水温度控制。通过分析，控制供热系统的供水温度可保障供热质量，减少能源消耗，是整个供热系统的关键所在。供水温度控制回路由换热器二次侧出水温度传感器、燃气锅炉的炉头控制器、炉头燃气比例调节阀等组成。设定供热供水温度，炉头控制器通过检测换热器二次侧出水温度，实时调节燃烧炉的燃烧功率，从而控制供热供水温度达到设定值。该回路的供水温度分为手动设定和质调节模型计算自动设定两种设定方式。给定值通过数据通信，由PLC传输给炉头控制器。当切换到质调节模型计算自动设定时，系统会根据实时户外环境温度及室内温度，动态调节锅炉燃气功率和动态调整供水温度，从而保证供热质量和节约能源。

2、定压补水控制和供水管道泄压控制。定压补水控制回路由集水器压力变送器、变频器组成。供热系统初期补水通过定压水泵向系统注水直至充满;在运行过程中，可能存在泄漏点，或降温运行过程中由于供热水温度降低，系统水体积收缩，使定压压力下降。定压压力设定值由PLC通信传输给定压补水变频器。在初期补水和运行中，变频器检测集水器的压力信号，通过变频器自带的PID控制器调节控制电机转速，从而控制补水压力达到定压设定值。供水管道泄压控制回路由分水器压力变送器、泄压电磁阀组成。系统运行升温过程中，由于水体积膨胀，系统压力会上升。当压力达到泄压上限设定值，泄压电磁阀打开；当压力低于泄压下限设定值时，电磁阀关闭。供水管道泄压控制保证了供暖系统能安全运行。

3、供热循环泵压差变频控制。供热循环泵差压变频控制回路由分水器压力变送器、集水器压力变送器、变频器组成。当供热负荷变化时，供热循环泵供回水压差随之变化。变频器检测分水器和集水器的压力差信号，通过变频器自带的PID控制器调节控制电机转速。通过动态调节泵出口压力，使压差保持恒定。这样有效控制了供热循环流量的变化，保证各采暖单元回路供热流量的稳定。

五、PLC控制软件设计

PLC控制软件编制是在西门子TIAPortal软件平台上完成的，主要有硬件设备组态、参数设置、通信配置等。建立不同的FC函数来定义不同功能的子程序，通过嵌套方式来定义一级函数下的二级函数子程序。用户一级函数子程序包括:初始化子程序FC1、供暖定时处理子程序FC2、开停车子程序FC3、模拟量处理子程序FC4、总线通信子程序FC5、供热水温度计算子程序FC6、报警处理子程序FC7。在一级子程序FC4下建立两个二级函数子程序，即4〜20mA信号采集子程序FC41和PtlOO热电阻信号采集子程序FC42。在程序循环组织块OB1，调用一级函数子程序。在程序中建立多个数据块，将不同功能要求的输人及输出数据变量存放在不同的DB数据块中。

六、结语

分布式燃气热水供热系统是指将某一特定单位或区域，依据建筑布局、建筑的使用功能，划分成若干个片区，并分布式设立燃气热水供热站，独立向所在片区建筑就近供热。分布式燃气供热站选址位于本供热片区建筑密集区附近，以解决现有燃煤供热系统造价高、管网热损耗多、供热质量差、自动化程度低、运行能耗高等问题。PLC控制系统应用于分布式燃气热水供热系统，使供热质量得到有效保证、供热能耗下降显著，因而供热不仅更经济，而且更环保。

参考文献：

[1]西门子有限公司.西门子S7-1200PLC[M].北京:北京航空航天大学出版社，2014.

[2]李宏宇，张庆广，王云龙.S7-1200PLC基于Modbus通信协议的数据采集及远程传送应用[J].黑龙江冶金，2014.

[3]陈佳晖，衷卫声，王文海.水站监控系统的Modbus通信协议设计[J].自动化仪表，2015.