基于可编程逻辑控制器主控的换热站变频调速系统的应用研究

　           摘要：我国现今投入使用的普通换热站多采用人工开关阀门控制流量，系统的频繁启动不仅浪费电能，更加剧了器材损耗、引发噪声污染。本文通过探究以可编程逻辑控制器为主控的换热站变频调速运作，切实提高了换热效率，紧密贴合了当下节能减排的趋势。

　　　　 关键词：电机变频 可编程逻辑控制器 节能减排

　　　　 0 引言

　　 利用火力发电厂蒸汽轮机发电后的余热在冬季对北方城市实行集中供热是合理利用能源、提高能源利用率、减少环境污染的、改善人民生活的有效措施与重要途径。集中供热已成为我国北方冬季供暖的主要形式，并逐步于其他地区实施应用。对于我国现今投入使用的普通换热站，循环泵和补水泵多采用人工开关阀门控制流量，使管路的阻尼增大造成电能浪费；供暖系统的频繁启动在加剧设备损耗的同时亦产生较大噪声，影响了施工人员的工作环境与周边居民的生活环境。为有效解决上述问题，我们对一原装配有3台（75kW）循环水泵、2台（7.5kW）补水泵的换热站增加变频功能，以可编程逻辑控制器（PLC）为主控机，完成相关项目的检测。秉着提高换热效率、实现节能减排的目的，建立规范的测控和操作平台，实现了供暖的全自动控制。

　　 1 PLC变频水泵的节能技术及工作原理

　　 1.1 系统的整体设计与基本构成

　　 整个恒压供暖系统由ACS550变频自动控制装置与水泵电机组合而成。该装置由变频器（内含PID调节器）、可编程时控开关、可编程控制器、远传压力传感器、相关电气控制部件构成，是一种具有变频调速和全自动闭环控制功能的机电一体化智能设备，实现了同时对三台380V、50Hz的水泵电机的自动控制。

　　 1.2 PLC主控的基本工作原理

　　 可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller）是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境应用而设计制造的数字运算操作的电子装置。它具有丰富的输入、输出接口，并且具有较强的驱动能力；它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制生产过程。

　　 1.3 补水泵的变频恒压控制

　　 在供暖系统中，回水管的水压高度必须高于用户系统的充水高度，以防系统倒吸入空气，腐蚀管道；运行过程中管道、阀门的泄漏引起循环水水压的降低，如不及时补水会造成供热系统的不正常运行。因此，维持系统回水压力的稳定是系统正常运行的基本前提。

　　 利用补水泵根据设定压力调整输出频率可使系统的二次回水压力保持稳定。利用压力传感器实时监测系统，将系统内热水水压作为反馈信号传送给PLC；PLC将该反馈信号与给定压力值进行比较，判断所需补水量的增减。变频控制柜根据PLC的操作指令，通过改变速度频率控制补水泵的转速，从而实现系统补水量的改变以维持系统恒压点的压力稳定。

根据换热站实际运行情况，若系统内热水水压为X MPa，回水主管上的水压经压力传感器变换为10X—50X mA的反馈信号传送至PLC输入端。PLC内的给定值设置为10X kg，当供热系统的压力低于10X kg时，PLC输出操作指令使变频器输出频率上升，回水主管开始补水；达到10X kg时，反馈信号与给定信号基本相等，变频器输出频率下降，停止补水。通过控制补水量确保了系统回水压力的稳定。

1.4 二次供水温度的控制

　　 我国冬季北方城镇居民住宅内大多未装设室温调节器，且系统对众多热用户的室温难以形成闭环控制。故换热站二次供水温度的控制是确保供热质量、实现系统按需供热的关键，是确保系统经济运行的重要手段。管理人员可通过修改二次供水温度调节曲线保证在不同室外温度条件下的相应二次管网供水温度。

　　 1.5 循环泵变频调速与泵转换控制

　　 根据压力传感器与PLC控制器的处理，使变频控制柜在压力到达上限设定值后适时适量控制循环泵转速以调节其输出流量。系统采用循环投切的方式，将二次侧回水压力经压力传感器输出反馈信号传送至PLC，经PLC处理后传送操作指令至变频器作为调速控制信号，在满足用户端供暖负荷要求的前提下令电机在整个系统运行过程中的能耗最低。

　　 当压力到达上限设定值时，1#循环泵变频启动。若变频频率到达上限仍不满足要求，则在利用时间继电器（KT）产生一定延时后，1#循环泵变频转工频运行，同时启动2#循环泵变频运行。

　　 当设定的泵转换时间到达后，1#补水泵变频转2#补水泵变频运行；启动3#循环泵变频运行，停止1#循环泵工频运行，2#循环泵变频转工频运行。在泵转换时间再次到达后，循环泵与补水泵的转换过程根据上述变换类推。

　　 运行过程中任何一台循环泵引起热过载继电器动作后，或变频器产生故障后，相应循环泵转另一台工频运行。补水泵在运行过程中如引发热过载继电器动作，则对应补水泵转另一台变频运行；若变频器发生故障，则对应补水泵转另一台工频运行。

　　 2 系统经济效益与社会效益分析

　　 普通换热站中循环泵与补水泵在供热系统中承担补充失水和维持二次回水压力稳定等作用，故系统具有启动频繁的特点，会对电网造成巨大冲击，易加剧管路止回阀的损失、造成保护装置的误动作。而变频调速水泵的电机从零速变速向工频转速过渡，运行较平稳，削弱对电网冲击的同时亦延长了电机的使用寿命。与此同时，变频调速系统使噪声密度与噪声音量明显降低，改善了换热站的工作运行环境与周边居民的生活环境，经济效益与社会效益兼具。

　　 水泵扬程与电机转速平方成正比，水泵轴功率与电机转速立方成正比。当系统需要流量降低时，降低转速，相应水泵流量降低，从而水泵轴功率降低，节约电能效果显著。采用变频调速系统，亦避免了采用阀门调节时不必要的阀门压头损耗。

　　 供热实际操作时， 常采用阀门调节流量， 增大了系统的阻力， 造成较大耗能。实现循环泵变频调速后， 所有的阀门开度最大， 令系统的阻力最小。根据二次侧回水压力和热用户所处高度要求的最低扬程来控制循环泵变频器的转速， 可大大减少循环泵的流量。当平均流量是设计流量的70%时， 节电率可按GB12497《三相异步电动机经济运行》强制性国家标准实施监督指南中的计算公式计算，得节电率高达52.3%，节能效益十分可观。

参考文献：

　　 [1] 林柏松，曹文光，刘志杰. 换热站变频调速控制系统[J].自动化仪表，2009（7）：49-50.
　　 [2] 杜俊明，，彭海宇. 换热站变频调速控制系统[J].自动化博览，2005（5）：52-53.
　　 [3]赵伯英.供热工程[M].北京：冶金出版社， 1988.