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淺析基于可編程邏輯控制器主控的換熱站變頻調速系統(tǒng)的應用探究論
摘要：我國現(xiàn)今投入使用的普通換熱站多采用人工開關閥門控制流量，系統(tǒng)的頻繁啟動不僅浪費電能，更加劇了器材損耗、引發(fā)噪聲污染。本文通過探究以可編程邏輯控制器為主控的換熱站變頻調速運作，切實提高了換熱效率，緊密貼合了當下節(jié)能減排的趨勢。
關鍵詞：電機變頻可編程邏輯控制器節(jié)能減排
0引言
利用火力發(fā)電廠蒸汽輪機發(fā)電后的余熱在冬季對北方城市實行集中供熱是合理利用能源、提高能源利用率、減少環(huán)境污染的、改善人民生活的有效措施與重要途徑。集中供熱已成為我國北方冬季供暖的主要形式，并逐步于其他地區(qū)實施應用。
對于我國現(xiàn)今投入使用的普通換熱站，循環(huán)泵和補水泵多采用人工開關閥門控制流量，使管路的阻尼增大造成電能浪費；供暖系統(tǒng)的頻繁啟動在加劇設備損耗的同時亦產(chǎn)生較大噪聲，影響了施工人員的工作環(huán)境與周邊居民的生活環(huán)境。為有效解決上述問題，我們對一原裝配有3臺（75kW）循環(huán)水泵、2臺（7.5kW）補水泵的換熱站增加變頻功能，以可編程邏輯控制器（PLC）為主控機，完成相關項目的檢測。秉著提高換熱效率、實現(xiàn)節(jié)能減排的目的，建立規(guī)范的測控和操作平臺，實現(xiàn)了供暖的全自動控制。
1PLC變頻水泵的節(jié)能技術及工作原理
1.1系統(tǒng)的整體設計與基本構成
整個恒壓供暖系統(tǒng)由ACS550變頻自動控制裝置與水泵電機組合而成。該裝置由變頻器（內含PID調節(jié)器）、可編程時控開關、可編程控制器、遠傳壓力傳感器、相關電氣控制部件構成，是一種具有變頻調速和全自動閉環(huán)控制功能的機電一體化智能設備，實現(xiàn)了同時對三臺380V、50Hz的水泵電機的自動控制。
1.2PLC主控的基本工作原理
可編程邏輯控制器PLC（ProgrammableLogicController）是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境應用而設計制造的數(shù)字運算操作的電子裝置。它具有豐富的輸入、輸出接口，并且具有較強的驅動能力；它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制生產(chǎn)過程。
1.3補水泵的變頻恒壓控制
在供暖系統(tǒng)中，回水管的水壓高度必須高于用戶系統(tǒng)的充水高度，以防系統(tǒng)倒吸入空氣，腐蝕管道；運行過程中管道、閥門的泄漏引起循環(huán)水水壓的降低，如不及時補水會造成供熱系統(tǒng)的不正常運行。因此，維持系統(tǒng)回水壓力的穩(wěn)定是系統(tǒng)正常運行的基本前提。
利用補水泵根據(jù)設定壓力調整輸出頻率可使系統(tǒng)的二次回水壓力保持穩(wěn)定。利用壓力傳感器實時監(jiān)測系統(tǒng)，將系統(tǒng)內熱水水壓作為反饋信號傳送給PLC；PLC將該反饋信號與給定壓力值進行比較，判斷所需補水量的增減。變頻控制柜根據(jù)PLC的操作指令，通過改變速度頻率控制補水泵的轉速，從而實現(xiàn)系統(tǒng)補水量的改變以維持系統(tǒng)恒壓點的壓力穩(wěn)定。
根據(jù)換熱站實際運行情況，若系統(tǒng)內熱水水壓為XMPa，回水主管上的水壓經(jīng)壓力傳感器變換為10X—50XmA的反饋信號傳送至PLC輸入端。PLC內的給定值設置為10Xkg，當供熱系統(tǒng)的壓力低于10Xkg時，PLC輸出操作指令使變頻器輸出頻率上升，回水主管開始補水；達到10Xkg時，反饋信號與給定信號基本相等，變頻器輸出頻率下降，停止補水。通過控制補水量確保了系統(tǒng)回水壓力的穩(wěn)定。
1.4二次供水溫度的控制
我國冬季北方城鎮(zhèn)居民住宅內大多未裝設室溫調節(jié)器，且系統(tǒng)對眾多熱用戶的室溫難以形成閉環(huán)控制。故換熱站二次供水溫度的控制是確保供熱質量、實現(xiàn)系統(tǒng)按需供熱的關鍵，是確保系統(tǒng)經(jīng)濟運行的重要手段。管理人員可通過修改二次供水溫度調節(jié)曲線保證在不同室外溫度條件下的相應二次管網(wǎng)供水溫度。
1.5循環(huán)泵變頻調速與泵轉換控制
根據(jù)壓力傳感器與PLC控制器的處理，使變頻控制柜在壓力到達上限設定值后適時適量控制循環(huán)泵轉速以調節(jié)其輸出流量。系統(tǒng)采用循環(huán)投切的方式，將二次側回水壓力經(jīng)壓力傳感器輸出反饋信號傳送至PLC，經(jīng)PLC處理后傳送操作指令至變頻器作為調速控制信號，在滿足用戶端供暖負荷要求的前提下令電機在整個系統(tǒng)運行過程中的能耗最低。
當壓力到達上限設定值時，1#循環(huán)泵變頻啟動。若變頻頻率到達上限仍不滿足要求，則在利用時間繼電器（KT）產(chǎn)生一定延時后，1#循環(huán)泵變頻轉工頻運行，同時啟動2#循環(huán)泵變頻運行。
當設定的泵轉換時間到達后，1#補水泵變頻轉2#補水泵變頻運行；啟動3#循環(huán)泵變頻運行，停止1#循環(huán)泵工頻運行，2#循環(huán)泵變頻轉工頻運行。在泵轉換時間再次到達后，循環(huán)泵與補水泵的轉換過程根據(jù)上述變換類推。
運行過程中任何一臺循環(huán)泵引起熱過載繼電器動作后，或變頻器產(chǎn)生故障后，相應循環(huán)泵轉另一臺工頻運行。補水泵在運行過程中如引發(fā)熱過載繼電器動作，則對應補水泵轉另一臺變頻運行；若變頻器發(fā)生故障，則對應補水泵轉另一臺工頻運行。
2系統(tǒng)經(jīng)濟效益與社會效益分析
普通換熱站中循環(huán)泵與補水泵在供熱系統(tǒng)中承擔補充失水和維持二次回水壓力穩(wěn)定等作用，故系統(tǒng)具有啟動頻繁的特點，會對電網(wǎng)造成巨大沖擊，易加劇管路止回閥的損失、造成保護裝置的誤動作。而變頻調速水泵的電機從零速變速向工頻轉速過渡，運行較平穩(wěn)，削弱對電網(wǎng)沖擊的同時亦延長了電機的使用壽命。與此同時，變頻調速系統(tǒng)使噪聲密度與噪聲音量明顯降低，改善了換熱站的工作運行環(huán)境與周邊居民的生活環(huán)境，經(jīng)濟效益與社會效益兼具。
水泵揚程與電機轉速平方成正比，水泵軸功率與電機轉速立方成正比。當系統(tǒng)需要流量降低時，降低轉速，相應水泵流量降低，從而水泵軸功率降低，節(jié)約電能效果顯著。采用變頻調速系統(tǒng)，亦避免了采用閥門調節(jié)時不必要的閥門壓頭損耗。
供熱實際操作時,常采用閥門調節(jié)流量,增大了系統(tǒng)的阻力,造成較大耗能。實現(xiàn)循環(huán)泵變頻調速后,所有的閥門開度最大,令系統(tǒng)的阻力最小。根據(jù)二次側回水壓力和熱用戶所處高度要求的最低揚程來控制循環(huán)泵變頻器的轉速,可大大減少循環(huán)泵的流量。當平均流量是設計流量的70%時,節(jié)電率可按GB12497《三相異步電動機經(jīng)濟運行》強制性國家標準實施監(jiān)督指南中的計算公式計算,得節(jié)電率高達52.3%，節(jié)能效益十分可觀。
參考文獻：
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