羅野 汪琴

【摘要】 隨著電廠規(guī)模的不斷地?cái)U(kuò)大，電廠生產(chǎn)過程中的冷卻水即工業(yè)廢水也在不斷地增加，廢水的熱量回收變得尤為重要。本文敘述了廢水熱能回收的控制系統(tǒng)，其上位機(jī)采用WinCC組態(tài)軟件，下位機(jī)采用S7-300PLC作為控制器。余熱回收原理是熱廢水和冷自來(lái)水經(jīng)過板式換熱器進(jìn)行熱交換。以熱廢進(jìn)水和冷水出水溫度之差為主被控參數(shù)，通過PID算法，使熱回收效率大幅度提高，達(dá)到熱量回收的最大化，對(duì)能源的可持續(xù)發(fā)展有很大的意義。

【關(guān)鍵詞】 余熱回收 S7-300PLC WinCC 水循環(huán)

一、電廠余熱回收系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

熱電廠廢水余熱回收系統(tǒng)是利用工廠污水通過熱交換器和冷水進(jìn)行熱交換，冷水經(jīng)過熱交換后吸收了污水中的熱量，而污水則通過管道排入污水池進(jìn)行污水處理。經(jīng)過加熱后的冷水流入蓄水池作為熱電廠附近建筑的備用水，完全減少了平常加熱自來(lái)水耗費(fèi)的時(shí)間和能源。不但考慮到環(huán)境保護(hù)的問題，同時(shí)兼顧了節(jié)能的效率，真正實(shí)現(xiàn)了環(huán)保經(jīng)濟(jì)一體化的目標(biāo)。

1.1電廠廢水余熱回收工藝原理

熱電廠廢熱水進(jìn)入工業(yè)板式換熱器與冷水進(jìn)行熱交換，此時(shí)冷水吸收污水中的熱量，而污水將存蓄的熱能得到釋放后，通過管道回入污水池。經(jīng)由板式熱交換器交換過的熱水，它可以自己借助自來(lái)水本身的特點(diǎn)進(jìn)行各點(diǎn)的輸送，通過原有的熱水管道輸送到附近建筑供暖設(shè)備。這樣就可以保證周圍建筑的部分熱水需求量，進(jìn)一步節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，從而可以達(dá)到節(jié)約能源、提高生產(chǎn)效率的目的。

1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

本文中用到的軟件分別為WinCC和PLC兩種。上位機(jī)采用組態(tài)軟件WinCC進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控，下位機(jī)采用S7-300PLC進(jìn)行主機(jī)控制。設(shè)計(jì)中以MM420作為系統(tǒng)的執(zhí)行器件，以溫度變送器和液位壓力變送器作為整個(gè)系統(tǒng)的核心部件。如圖1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理圖。

二、硬件選型與設(shè)計(jì)

2.1 傳感器的選擇

傳感器即為檢測(cè)元件是指按照不同的原理構(gòu)成的，它實(shí)現(xiàn)的功能是從被測(cè)量的參量中檢測(cè)到有用信息的器件。是完成自動(dòng)檢測(cè)和控制的首要環(huán)節(jié)。本設(shè)計(jì)中主要用到以下傳感器。

2.1.1 溫度傳感器

溫度傳感器采用的熱電阻PT100，它可以進(jìn)行溫度的變換功能。與工業(yè)中使用的熱電阻配合使用的是兩線制輸出方式。它的溫度信號(hào)輸出大約在直流4-20mA之間。

2.1.2 壓力傳感器

壓力變送器使用的陶瓷壓阻式傳感器。適用于表壓、絕壓和負(fù)壓的測(cè)量，陶瓷傳感器因?yàn)槠浣橘|(zhì)是絕緣的陶瓷介質(zhì)，在壓力的作用下，陶瓷膜片產(chǎn)生變形，厚膜電阻會(huì)印制在膜片的背后，即連成一個(gè)惠斯通電橋，因?yàn)閴好綦娮璐嬖趬鹤栊?yīng)，可以是惠斯通電橋產(chǎn)生一個(gè)與壓力成正比，并且是線性集成度高、與激勵(lì)電壓也成正比的電壓信號(hào)。其補(bǔ)償?shù)臏囟仍?-70℃，憑借它的功能可以實(shí)現(xiàn)與很多介質(zhì)直接接觸。

2.2 變頻器

采用MM420變頻器主要用于廢水池液位的高度，與給定的高度不一致時(shí)，利用變頻器對(duì)三相交流電動(dòng)機(jī)的頻率進(jìn)行相應(yīng)的改變，使得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，控制水池的高度。直到與給定液位一致。需要對(duì)變頻器進(jìn)行一系列的參數(shù)設(shè)置，對(duì)變頻器進(jìn)行初始化以后，再對(duì)其參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

2.3 熱交換器

熱交換器的工作原理是通過冷熱水在熱交換器內(nèi)部流通，冷熱水之間由管道隔離，將熱水的溫度傳遞給冷水，然后經(jīng)自來(lái)水系統(tǒng)將交換后的熱水傳遞到各個(gè)使用點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞功能。

2.4 硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中使用了CPU313-2DP作為控制器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，熱電阻PT100檢測(cè)到的實(shí)際水溫成電流信號(hào)，之后再經(jīng)過SM334模擬量的輸入模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號(hào)并且將信號(hào)送至PLC中進(jìn)行相關(guān)的PID調(diào)節(jié)。將各個(gè)傳感器接入到S7-300 PLC的模擬量輸入端口中，將各個(gè)按鈕接入到數(shù)字量輸入端口中，同時(shí)PLC為其供電。然后，將信號(hào)指示燈接入到數(shù)字量的輸出端口，將變頻器接入到模擬量的輸出端口。在接完變頻器后，需要將兩個(gè)變頻器都接地，保護(hù)變頻器，防止漏電。如圖2所示系統(tǒng)硬件接線圖

三、控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)需要，分配系統(tǒng)需要的相關(guān)地址，需要六個(gè)輸入和兩個(gè)輸出。三個(gè)模擬量輸入和兩個(gè)模擬量輸出。根據(jù)液位，溫差和壓力的PID建立的背景數(shù)據(jù)塊，設(shè)置需要的PID內(nèi)存地址。選擇帶有DI16/DO16的CPU 313-2DP模塊進(jìn)行PLC的硬件組態(tài)，

3.1溫差程序設(shè)計(jì)

溫差程序設(shè)計(jì)在S7 PLC 300中，對(duì)于模擬量的相關(guān)采集是由功能塊FC105來(lái)完成的，在標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)查找并調(diào)用出FC105，方可直接對(duì)模擬量的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)中的熱進(jìn)，冷出溫度采集程序，溫差采集程序中的熱進(jìn)冷出的溫度通過減法程序，經(jīng)過PID比較之后的輸出值，經(jīng)過FC106轉(zhuǎn)換為0～27648間的數(shù)，通過D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為執(zhí)行器能夠接受的電流信號(hào)或電壓信號(hào)。PID程序

通過FC105得到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際溫差，在PID模塊中與設(shè)定溫差進(jìn)行比較之后，將輸出值輸入到FC106，通過FC106得到0～27648間的數(shù)，將這個(gè)數(shù)通過AO模塊D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為變頻器能夠接受的4～20mA的電流信號(hào)，控制熱水的流量。

3.2溫度報(bào)警程序設(shè)計(jì)

溫度報(bào)警程序設(shè)定當(dāng)溫差低于下限6攝氏度或高于上限25攝氏度的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警；同時(shí)也設(shè)定了廢熱水池的液位報(bào)警程序，當(dāng)超過設(shè)定范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警，以便提醒操作人員進(jìn)行查看。

四、上位機(jī)畫面設(shè)計(jì)

本文采用的是WinCC組態(tài)軟件和下位機(jī)PLC相結(jié)合下，對(duì)電廠的廢水的熱回收系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，使熱量的回收達(dá)到最大化，使熱回收效率大幅度提高，系統(tǒng)穩(wěn)定性也更好。

4.1 WinCC編程設(shè)計(jì)

啟動(dòng)WinCC，創(chuàng)建工程，選擇單用戶項(xiàng)目；填入工程名和存儲(chǔ)位置。為通訊驅(qū)動(dòng)選擇界面，設(shè)置TCP/IP的連接屬性并且設(shè)置IP地址和CPU插槽號(hào)。為連接屬性和IP地址和CPU插槽號(hào)設(shè)置，畫面編輯設(shè)置和變量地址屬性界面，用戶管理器中添加新的用戶，用戶管理器，添加新用戶，設(shè)置登陸用戶名和登陸密碼，對(duì)新建的用戶設(shè)置權(quán)限，選擇改變畫面權(quán)限。

4.2主控界面設(shè)計(jì)

在登陸界面和工藝流程圖中，為了能夠更加理解工廠的廢水余熱回收的控制原理。設(shè)置登陸用戶登陸。密碼錯(cuò)誤時(shí)，彈出對(duì)話框“沒有許可權(quán)”。 在工廠廢水余熱回收的主控界面里的按鈕分別可以實(shí)現(xiàn)對(duì)“液位歷史曲線”、“壓力歷史曲線”、“溫差歷史曲線”、“液位報(bào)警”這四個(gè)畫面進(jìn)行畫中畫的切換顯示。如圖3所示。

五、系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試

5.1 監(jiān)控畫面

利用WinCC 組態(tài)軟件來(lái)監(jiān)控畫面，將編寫好廢水余熱回收利用系統(tǒng)程序下載到S7-300中，觀察變化。利用STEP 7軟件，打開三相電源開關(guān)對(duì)鍋爐進(jìn)行加熱，當(dāng)加熱到60度左右時(shí)，打開水泵和變頻器，讓冷水與熱水通過板式熱換器進(jìn)行熱交換。等待所有的過程完成后，將檢測(cè)到的畫面與原先設(shè)想的畫面進(jìn)行對(duì)比，如圖4、5、6所示，為液位歷史曲線、壓力歷史曲線、溫度歷史曲線。

5.2 運(yùn)行分析

從圖分析電廠排出的熱廢水與原本預(yù)定加熱的冷水的差值達(dá)到恒定溫差，系統(tǒng)運(yùn)行將熱水與冷水通過換熱器進(jìn)行熱能傳遞交換，將廢熱水的熱能傳遞給冷水，冷水在加熱的情況下溫度開始逐漸上升，而熱水在熱量轉(zhuǎn)換之后溫度逐漸下降，繼而使得兩者的溫度差慢慢減小，達(dá)到了保持恒溫的基礎(chǔ)要求。在PID的調(diào)節(jié)下，兩水溫溫差不斷接近原先設(shè)定值并且讓設(shè)定值慢慢地趨于穩(wěn)定。

參 考 文 獻(xiàn)

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