一种供暖节能管理系统的设计与研究

郝晓龙

摘要：该文进行了基于可编程逻辑控制技术和变频调速技术的供暖节能控制管理系统的研究与设计。利用该系统可提高锅炉的运行效率和燃料的燃烧的效果，不仅降低了操作人员的工作强度，更能提高供暖系统的自动化程度，从而提高了工作效率。该系统安全可靠，操作简单易行，界面友好，具有很好的推广价值。

关键词：供暖；节能；管理系统

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）03-0226-02

佳木斯大学供暖期一直采用自有锅炉系统供暖，因锅炉及相关设备陈旧，耗煤量大，生产效率低，环境污染程度较高。而且，采用自有锅炉供暖，没有进行自动化控制，对外界环境因素考虑得不及时。当环境温度升高时，供暖强度没能够及时降低，而当室外环境的温度降低下降的时候，供暖系统又不一定能够及时地加强供暖，提高到适当的温度。另外，校园面积大，分布广，而且教学楼、办公楼、寝室楼的人员分布不一，但供暖强度却都是一样的。这些因素都导致了学校虽然花费大量人力、物力，下大力气进行供暖系统的检查、监督和管理工作，但却没达到预想的效果。因此，为了提高锅炉的运行效率和燃料的燃烧的效果，提高工作效率，节约资金和能源，更好地服务为全校师生，必须开发出一套适合佳木斯大学具体情况的供暖节能系统，并对相关的设备进行全面地升级和改造。

1 供暖系统中的可编程逻辑控制技术

一般北方的供暖系统是都是由供热源、供热输送管道和散热设备等几部分组成的。在这种供暖系统中，编程逻辑控制器主要应用于整个工作过程的三个阶段中：输入数据采样阶段、程序的执行阶段和输出刷新阶，这三个工作阶段构成了一个数据的扫描周期。

可编程逻辑控制器以扫描的方式，依次地读入所有输入的状态和数据，并进行存储。然后就进行到程序的执行阶段，再然后才是输出刷新阶段。当进入了程序的执行阶段和输出刷新阶段后，映象区中的数据就不再发生变化。即使这个时刻，在执行的过程中，输入的状态和数据发生了变化，映象区中的相应单元数据也不会随之发生改变，始终保持扫描时读入的数据[1]。

在供暖系统中，利用可编程逻辑控制器，再配合使用各种不同功能的传感器，就可以将管道中所受的压力的数据，通过传感器采集出来，利用系统对这些数据进行分析处理后，再通过变频器，实时地对泵的转速进行调整控制，便可以使管道中的压力及时地得到调整，以保持在适合的范围之内。另外，系统中还配有相应的电流超负载、电压超负荷以及断水等相关的保护装置，并配有备用装置，一用一备，避免意外发生。

本系统采用两台系列可编程控制器进行程序的开发与控制。利用计算机系统进行锅炉运行参数的实时控制，就可使锅炉保持在最佳的工作状态。一直实时地调整数据，保持最佳状态运行，才可以提高锅炉运行时的的效率，发挥燃料燃烧的最佳效果。不仅会节约能源，还能达到环保的效果。

通过利用计算机控制系统进行控制和管理，这样，操作人员在控制室就可以全面、实时、精确地掌握供暖系统中各硬件部分的运行状况。不仅降低了操作人员的工作强度，更能提高供暖系统的自动化程度，从而提高了工作效率。

2 供暖系统中控制系统的功能设计

图1 系统主程序模块图

供暖系统中的控制系统由锅炉系统控制模块、系统运行控制模块、模拟量采集控制模块、循环泵系统控制模块、通信处理模块等五大功能模块组成，如图1系统主程序模块图所示。

1）锅炉系统控制模块：可进行锅炉系统的控制，实时地进行数据分析以及时调整鼓风机、引风机和炉排电机等的变频器频率；

2）锅炉运行控制模块：不仅可以进行锅炉燃烧系统启动、停止的控制，还可以完成锅炉补水系统以及循环系统中的电机的启动和停止的控制功能；

3）模拟量采集控制模块：完成对所有的模拟量进行采集，并进行相应的转换，变成所需的浮点数；

4）循环泵控制模块：该模块可进行循环泵系统中的所有电机的启动和停止的控制，以及各项相关参数的设定。

5）通讯处理模块：主要负责编程逻辑控制器与变频器的通信功能。可对变频器频率数据进行初始的设定，还可以完成变频器的频率数据进行采集的功能，以及变频器的电压、电流、功率等参数的采集。

2.1 锅炉系统控制模块详细设计

锅炉系统控制模块主要完成的是锅炉系统的控制功能，可以确定鼓风机、引风机和炉排电机的变频器频率。当设定了水的温度和炉膛负压数据的临界值以后，再经过PID控制器的运算，确定出目前运行时的温度和炉膛负压值，系统可实时地对传递函数的数据进行修正，快速的跟踪系统数据的变化，从而精确地确定电机的转速。设计流程图如图2锅炉系统控制模块流程图所示：

图2 循环泵控制模块流程图

2.2 循环泵控制模块详细设计

循环泵控制模块的主要功能就是进行循环泵系统中的各项系数进行实时的控制。首先，进行变频器频率的设定，根据设定的数据确定循环泵系统中水泵电机的启动或停止，还可实现对出水压力值的控制等控制功能。该系统，可根据出水的压力值的设定，确定是否启动循环泵。当启动循环泵以后，进行变频器频率的调节，通过PID控制器对压力进行偏差调节，使水压力在符合要求的范围内，达到出水压力的稳定。本系统中循环泵控制模块的设计流程图如图3循环泵控制模块流程图所示：

图3 循环泵控制模块流程图

3 变频调速技术

传统的供暖系统中，一些风机、各种泵类设备，大多数采用的都是异步电动机直接驱动的工作方式。采用用这种运行方式启动设备的时候，瞬间电流较大、还将会产生机械的冲击。另外，这种方式还存在着电气保护特性差等诸多缺点。这些缺点导致了设备的使用寿命降低，当负载出现了机械故障的时候，传统的运行方式不能产生实时的响应动作，及时地进行设备保护，将经常造成泵类设备的损坏，电机也随之烧毁[2]。

而采变频调速技术，用变频器的原理，把原本电压、频率固定的交流电进行变换，将其转换成电压、频率都可以调节的交流电。这样，通过电机工作电源频率的改变，就可达到改变电机转速的目的。这种电机的软启动，避免了传统电机工作方式带来的危害，新的变频技术不仅解决电机启动瞬间电流过大的问题，还可以减小电机启动时的噪声，另外还可保护电机，避免频繁启动对电机产生的冲击。这些优点都具有有效地保护设备，延长设备的使用寿命的作用[3]。

本系统采用70KW、35KW的变频器各一台。其中，大功率变频器用来控制引风机，而 35KW的变频器用来控制鼓风机。采用变频调速技术实现了本系统中电机的无级调速提高了工作效率，延长了设备的使用寿命。

4 结束语

供暖是北方高校每年冬季都要面临的问题，引入这套基于可编程逻辑控制器和变频调速技术的供暖锅炉控制系统可有效减少学校用于供暖经费的支出，为学校减轻负担。本文通过理论论证，又结合佳木斯大学实际情况研究出的这套供暖管理系统，通过变频器控制电动机的启动运行，达到了减少燃料消耗，降低供暖运行成本的目标。采用计算机控制和变频控制的锅炉系统还大大提高了生产自动化水平，具有显著的经济效益和社会效益。经过验证，该系统安全可靠，运行起来操作简单。为今后其他单位实施供暖系统改造与供暖管理方面提供参照依据。

参考文献：

[1] 金沙，耿惊涛.PLC应用技术[M]北京：中国电力出版社，2010.

[2] 都洋.供暖锅炉变频控制系统设计与实现[D]. 大连：大连理工大学，2006.

[3] 熊建国.基于PLC的变频调速恒压供水系统设计与实现[D].成都：电子科技大学，2013.