A Control System For Self Energy Storage Electrical Boiler
Based on HOLLiAS-LEC G3 PLC

摘要：本文針對自儲能電鍋爐供熱系統，采用和利時公司新一代小型一體化PLC，提出了自儲能電鍋爐控制系統解決方案。目前該系統已成功應用于自儲能電鍋爐的控制，具有較高的性價比。
關鍵詞：自儲能電鍋爐、PLC
Abstract: Aimed at self energy storage electrical boiler，a new control system based on HOLLiAS-LEC G3 PLC is put forward in this thesis. The system was used successfully in self energy storage electrical boiler system and the ratio of cost and performance of the system is satisfied.
Keyword: Self energy storage electrical boiler、PLC
1前言
目前，常規供暖設備有燃煤鍋爐、燃油鍋爐、燃氣鍋爐、電熱水鍋爐等。燃煤鍋爐效率低，對環境污染嚴重；燃油或燃氣鍋爐雖然污染較小，但運行費用較高；電熱水鍋爐屬于無污染設備，但運行費用仍然很高，不能滿足用戶的廉價要求。新近發展的自儲能電鍋爐蓄熱技術以電為消耗能源，通過電鍋爐將電能轉化為熱能，蓄熱水箱儲存熱能并在需要時釋放。該技術不僅對環境沒有污染，而且是利用電網谷值（夜間）加熱儲熱介質，平段和高峰時段不用電，或在平段時少用電。大多電力公司在谷值時段都推出優惠電價，從而大大降低了供暖費用，并且對供電系統起到了很好的“削峰添谷”的作用，具有很大的節能效益。因此，它是目前的發展方向，在新建和改造供暖設備中具備很大的推廣價值。
2 系統介紹
自儲能電鍋爐主要由電加熱器、儲熱箱、可控式熱管、取熱管、取熱加熱控制器、水溫調節器以及若干管道、閥門等構成。其工作原理是以儲熱箱為主體，其中有若干個電加熱器，用于加熱儲熱箱儲熱。為了從儲熱箱中取出熱量，利用可控式環行熱管原理，構成一個取熱循環系統，由熱交換器、水泵、管網等構成，與常規的供熱系統基本相同。另外，還有一個供熱外循環系統，由氣液熱交換器、液液熱交換器、水泵和供暖網管等組成。在取熱過程中，取熱管的作用是使進入管中的液體工質蒸發，從而帶走貯熱箱中貯存的熱量，送入氣液熱交換器中，由氣液熱交換器把熱量交換給供暖外循環系統。此后，氣體工質進入冷凝器冷凝成液體，由外循環泵送回取熱管。取熱控制器的作用是控制取熱管閥門的大小，從而控制取熱量的多少，供熱外循環系統和常規的供暖系統基本相同。在這套系統中，我們采用HOLLiAS-LEC G3作為自儲能電鍋爐的控制系統，擔負著整個系統的加熱、取熱控制，并且對取熱溫度和外界溫度進行監控。控制的功能主要分為以下四個方面：
1. 加熱貯能：由控制器實現鍋爐在電網高峰時段不用電，在平電時段有條件用電，低谷時段加熱、儲存能量；并且實現再啟動加熱的控制，對加熱限溫以防止超溫，提高系統運行的經濟性和安全性。
2. 取熱供暖：PLC可以采取兩種方式控制供暖，第一種方式為分時段調節出口溫度以達到供暖要求，第二種方式是在分時段調節出口溫度的基礎上再加上環境溫度調節以更好地滿足供暖要求。
3. 溫度監控：溫度變送器對加熱爐、出口水溫進行實時采樣，將爐溫和出口水溫實時傳遞給控制系統，控制系統根據采樣的溫度進行實時處理，提高鍋爐運行的安全性、可靠性。
4. 故障報警處理：系統具有運行故障報警或超溫限報警等功能，報警時控制系統會提示操作人員，方便于工作人員及時排除故障。
3 控制系統硬件配置
自儲能電鍋爐控制系統采用和利時公司的HOLLiAS-LEC G3系列小型一體化PLC，G3系列PLC具有良好的擴展性能和較高的穩定性，并且具備豐富的指令系統。該系統使用1個24點CPU模塊LM3107、1個4輸入4輸出的開關量擴展模塊LM3231、3個4通道熱電偶擴展模塊LM3311和1個4通道熱電阻擴展模塊LM3312。熱電偶與熱電阻模塊采集溫度信號，經過處理后送入CPU模塊。PLC的輸出部分有報警燈與中間繼電器，觸摸屏與LM3107通過RS232口采用Modbus協議連接，線圈部分均有滅弧裝置。該系統具備自動、手動控制方式，并可以通過觸摸屏進行控制，簡潔明了。
該系統方案如圖1。

4程序流程圖
控制系統軟件部分由加熱控制、取熱控制和狀態監測三部分組成。
加熱程序執行時，首先讀取PLC硬件實時時鐘，判定當前在谷電、峰電還是平電時段。若在谷電時段，則判斷儲熱箱是否儲滿能量。如果已滿則不加熱，否則進行加熱。若在峰電時段，則不進行加熱。若在平電時段，則判斷儲熱箱內的能量是否即將耗完，如果低于最低設定值則進行加熱，否則停止。
取熱程序執行時，將外部擴展模塊讀入的各個溫度值與設定值進行比較，從而控制取熱閥的開度。
狀態檢測程序執行時，當有溫度值過高或者過低等故障發生時，PLC會采取相應的報警措施，并轉入相應的處理程序。
程序流程圖分別如圖2、圖3、圖4所示：

5 結束語
本文提出的自儲能電鍋爐控制系統具有以下優點：
1. PLC運行可靠、編程簡單，一套PLC即可實現自儲能電鍋爐加熱、儲能、取熱的控制，并且對爐溫和出口水溫進行實時監控。
2. LM3311、LM3312溫度采集模塊直接采集工業現場的溫度信號，不需要溫度變送器，信號直接進入PLC進行處理，精確度高，使用方便。
3. 適應現代工廠自動化對系統開放性和互聯性的需要，和利時的小型一體化PLC具備強大的網絡通信功能，可以通過DP網絡或者Modem進行遠程監控，具備可升級性。

經過一段時間的調試和試運行，HOLLiAS-LEC G3系列PLC為核心控制系統的解決方案已成功應用于自儲能電鍋爐設備，運行穩定、操作簡單，并且系統的安全性、經濟性都有很大的提高。

參考文獻
[1] HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC硬件手冊. 杭州和利時自動化有限公司
[2] HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC軟件手冊. 杭州和利時自動化有限公司
[3] HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC指令與功能塊手冊. 杭州和利時自動化有限公司