基于HOLLiAS-LEC G3的自儲能電鍋爐控制系統

1 引言
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，更重要的是在電網谷值(夜間)電力加熱儲熱介質，平段和高峰時段不用電，或在平段時少用電。利用公司在谷值時段優惠電價，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”的均衡高效供電作用，具有很大的節能效益。因此，在新建和改造供暖設備中具備很大的推廣價值。

2 系統原理設計
2.1 系統原理設計
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。
2.2 控制功能設計
(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:通過觸摸屏設定出口溫度，PLC采集的出口溫度與設定值進行比較，調節閥門的開度，以達到調節出口溫度的要求。
(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RS-232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。該系統方案參見圖1:

圖1 自儲能電鍋爐控制系統

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出口溫度值與設定值進行比較，通過2個開關量(一個開關量使閥門開度增大，另一個開關量使閥門開度減小)控制取熱閥的開度，以達到控制水溫的目的。
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。

圖2 加熱控制流程圖

圖3 取熱控制流程圖

圖4 狀態檢測流程圖
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，并且可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、以太網或者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。