謝 沖 郭 剛 馮巧麗 賀 錕

（山西大同大學教學實驗與實訓中心 大同 037009）

引言

目前我國供熱主要分為兩種形式，集中供熱與分散供熱。集中供熱通過熱電站、區(qū)域鍋爐房等設施產(chǎn)生熱源，通過熱力網(wǎng)以水暖的形式將熱能送入千家萬戶。分散供熱則是通過小型鍋爐、熱泵、家用電熱器等產(chǎn)生熱能進行供熱。集中供熱可以全天不間斷供熱，并且相比其他取暖方式，其運行費用較低。但通過熱電站等設施以煤為燃料產(chǎn)生熱能的過程中會造成一定的環(huán)境污染。同時集中供暖能耗高，熱效率低，浪費能源，并且有明顯的時間周期限制與地域限制。每年供暖期起止時間較為固定，集中供暖來臨和結(jié)束后無法再進行采暖。以秦嶺淮河為分界線，北方有集中供暖而南方?jīng)]有。傳統(tǒng)煤改電供暖大多采用分散供暖。分散供暖形式靈活多樣，更適合供熱要求不同的居民進行個性化選擇。但在日常使用中，無論是中央空調(diào)供暖還是壁掛爐、普通電熱器等采暖方式都有熱效率差，使用成本高等缺點。蓄熱式電暖器在一定程度上緩減了這些問題[1]。本文通過設計一種基于PLC控制的智能供暖系統(tǒng)，采用蓄熱式電暖氣作為供暖設備，進一步降低能耗，節(jié)約使用成本，以達到經(jīng)濟運行的目的。

1 蓄能式電暖器的工作原理

傳統(tǒng)蓄熱式電暖器結(jié)構(gòu)由蓄熱體、保溫板、鋼板外殼、電加熱管構(gòu)成。在夜間電價相對較低的時段，通過電加熱管通電加熱，并使蓄熱體儲熱以完成供暖蓄熱過程。在白天和夜間蓄熱體可以持續(xù)性放熱以達到24 h不間斷供熱的狀態(tài)，保證供暖效果。

2 基于PLC控制的智能供暖系統(tǒng)

2.1 基于PLC控制的智能供暖系統(tǒng)設計

設計開發(fā)一個基于PLC控制的智能供暖系統(tǒng)，以西門子 PLC 作為控制核心,在傳統(tǒng)蓄熱式電暖器的結(jié)構(gòu)中增設太陽能電池板以及蓄電池組作為輔助供電裝置，白天將太陽能轉(zhuǎn)化的電能進行存儲，夜間優(yōu)先使用蓄電池組中的電能，之后再使用居民用電進行蓄熱供熱[2]。通過溫度傳感器實時讀取室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，通過電流變送器和電壓變送器實時讀取蓄電池組剩余電量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC,組態(tài)畫面實時顯示時間、室內(nèi)溫度與蓄電池組剩余電量參數(shù)，若出現(xiàn)故障及時報警并實施保護。

根據(jù)所需室溫設置溫度定值，白天太陽能電池發(fā)出的電能全部儲存在蓄電池組中，當光照較強室溫高于或等于溫度設定值時，蓄熱式電暖器電加熱管不工作。當溫度下降到設定值以下時，蓄熱式電暖器電加熱管開始工作并蓄熱。夜間電暖器優(yōu)先使用蓄電池組的儲電供熱，當蓄電池組儲能降到預設值時使用谷段低價市電開始充電并供熱。蓄電池組設定預設值是為了保證夜間未充電且在第二天日照不足太陽能發(fā)電受限的情況下，蓄熱式電暖器可維持8 點到22 點間室溫達到設定值。

2.1.1 基于PLC控制的智能供暖系統(tǒng)硬件設計

如圖1所示，整個系統(tǒng)由PLC、太陽能電池板、蓄電池組、電壓變送器、電流變送器、蓄熱式電暖器以及溫度傳感器組成。觸摸屏連接PLC實現(xiàn)系統(tǒng)的運行和監(jiān)視功能。通過分析電壓變送器、電流變送器、溫度傳感器采樣提取的數(shù)據(jù)，由S7-200 SMART、總開關按鈕控制太陽能電池板、蓄電池組、市電進線以及蓄熱式電暖器的工作方式。系統(tǒng)選用蓄熱式電暖氣功率為1 600 W，蓄熱時長為（6～8）h，電加熱管電阻值為30 Ω。蓄電池組選用4塊額定電壓為直流12 V容量為800 AH的光伏儲能膠體蓄電池與匹配規(guī)格逆變器。太陽能電池板選用8塊600 W單晶太陽能板。系統(tǒng)程序內(nèi)設定蓄電池組預設電量58 %（22.4 kwh1867 AH）與溫度設定值25 ℃。觸摸屏通過以太網(wǎng)線與PLC相連接，數(shù)據(jù)傳輸通過TCP/IP通訊協(xié)議實現(xiàn)[3]。

圖1 智能供暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 電氣系統(tǒng)設計

如圖2所示，電氣系統(tǒng)由交流220 V電源、空氣開關、太陽能電池板、蓄電池組、溫度傳感器、電流變送器、電壓變送器、直流24 V開關電源、S7-200 SMART、模擬量擴展模塊EMAE04、電暖器發(fā)熱電阻、控制按鈕、報警燈組成。各種傳感器通過直流24 V開關電源供電。系統(tǒng)總開關按鈕接PLC的開關量輸入接點。溫度傳感器1、溫度傳感器2和溫度傳感器3、電壓變送器、電流變送器接PLC的模擬量輸入接點。PLC有8個輸出接點，分別接7個開關繼電器線圈和系統(tǒng)故障報警燈。實現(xiàn)蓄熱式電暖器智能、高效、靈活的投入使用。

圖2 智能供暖系統(tǒng)電氣原理圖

圖3 智能供暖系統(tǒng)組態(tài)畫面

圖4 智能供暖系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控畫面

2.2 軟件系統(tǒng)設計

2.2.1 組態(tài)畫面設計

如圖 3 所示，為智能供暖系統(tǒng)組態(tài)畫面，主界面顯示各房間實時溫度信息、蓄電池剩余電量信息、電暖器工作狀態(tài)信息以及系統(tǒng)故障信息和時間信息。整個系統(tǒng)的啟動、停止可通過主界面上的啟動和關機按鈕控制。需要查閱報警顯示與數(shù)據(jù)曲線時可以通過圖表界面按鈕切換。

2.2.2 數(shù)據(jù)庫點參數(shù)設置

如圖5所示，根據(jù)系統(tǒng)實際的控制要求，建立相應的數(shù)據(jù)庫點。在力控軟件中，設置數(shù)據(jù)庫點參數(shù)并進行保存和數(shù)據(jù)連接。

圖5 智能供暖系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫點參數(shù)設置

2.3 智能供暖系統(tǒng)程序設計

設計如圖6所示的智能供暖系統(tǒng)控制流程[4]，并按照控制流程編寫PLC控制程序，使智能供暖系統(tǒng)具備多種工作模式。

圖6 智能供暖系統(tǒng)控制流程圖

系統(tǒng)工作模式如下：

1）自檢模式：系統(tǒng)上電，PLC開始自檢，若發(fā)現(xiàn)軟件或硬件存在故障情況，報警燈閃爍且閉鎖啟動開關，此時維護人員可做相應檢修操作。若PLC自檢結(jié)束未發(fā)現(xiàn)故障情況則系統(tǒng)正常工作。

2）待機充電模式：時間處于8點到20點之間，室內(nèi)溫度值高于或等于當前溫度設定值，蓄熱式電暖器電加熱管處于待機狀態(tài)。市電充電開關KM6斷開，蓄電池組供電開關KM7斷開、總開關KM1斷開，太陽能充電開關KM5閉合，蓄電池組充電。

3）日間充電工作模式：時間處于8點到20點之間，室內(nèi)溫度值低于當前溫度設定值，蓄熱式電暖器電加熱管通電加熱。市電充電開關KM6斷開，蓄電池組供電開關KM7閉合、總開關KM1斷開，太陽能充電開關KM5閉合，蓄熱式電暖器工作開關閉合、蓄電池組充電的同時向蓄熱式電暖器供電。

4）非充電工作模式：時間處于20點到8點之間，蓄電池電壓高于或等于設定值，即蓄電池剩余電量大于或等于設定值，蓄熱式電暖器電加熱管通電加熱。太陽能充電開關KM5斷開，蓄電池供電開關KM7閉合，市電充電開關KM6斷開，總開關KM1斷開，蓄熱式電暖器工作開關閉合，蓄電池組向蓄熱式電暖器供電。

5）夜間充電工作模式：時間處于20點到8點之間，蓄電池電壓低于設定值，即蓄電池剩余電量小于設定值，蓄熱式電暖器電加熱管通電加熱。太陽能充電開關KM5斷開，蓄電池供電開關KM7斷開，市電充電開關KM6閉合，總開關KM1閉合，蓄熱式電暖器工作開關閉合，市電向蓄熱式電暖器供電。此模式下蓄電池組充電直至充滿或充電到達8點，因蓄電池設定預設值可維持8點到22點間室溫達到設定值，既蓄電池充電時間為谷段低電價時間。

6）系統(tǒng)正常運行時，溫度傳感器、電流變送器和電壓變送器采集實時數(shù)據(jù)傳輸給 PLC，PLC 上傳給觸摸屏，記錄相關數(shù)據(jù)并保存。通過顯示窗口，可顯示數(shù)據(jù)實時曲線圖和報警信息。

3 應用前景

本文以三房間房屋為研究模型開展討論，通過谷段低價電給蓄熱式電暖器供電發(fā)熱蓄熱，以及用太陽能和蓄電池組輔助供電以達到經(jīng)濟運行的目的[5]。該系統(tǒng)前期投入資金較大，但拓展到小區(qū)、寫字樓等大規(guī)模供熱區(qū)域后，長期運行能節(jié)約較多費用。

4 結(jié)語

目前集中供暖存在供暖效果不理想、污染環(huán)境、大量消耗化石燃料和不可再生煤炭資源的問題。而傳統(tǒng)煤改電供暖又因成本高昂難以大面積實行。以谷段低價電能供電，用太陽能發(fā)電輔助供電，再通過PLC控制的智能供暖系統(tǒng)的發(fā)展前景十分可觀，可為未來居民或企業(yè)采購取暖設備提供新的選擇。