基于HOLLiAS-LEC G3的自储能电锅炉控制系统

1 引言
目前，常规供暖设备有燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、电热水锅炉等。燃煤锅炉效率低，对环境污染严重;燃油或燃气锅炉虽然污染较小，但运行费用较高;电热水锅炉属于无污染设备，但运行费用仍然很高，不能满足用户的廉价要求。新近发展的自储能电锅炉蓄热技术以电为消耗能源，通过电锅炉将电能转化为热能，蓄热水箱储存热能并在需要时释放。该技术不仅对环境没有污染，更重要的是在电网谷值(夜间)电力加热储热介质，平段和高峰时段不用电，或在平段时少用电。利用公司在谷值时段优惠电价，从而大大降低了供暖费用，并且对供电系统起到了很好的“削峰添谷”的均衡高效供电作用，具有很大的节能效益。因此，在新建和改造供暖设备中具备很大的推广价值。

2 系统原理设计
2.1 系统原理设计
自储能电锅炉主要由电加热器、储热箱、可控式热管、取热管、取热加热控制器、水温调节器以及若干管道、阀门等构成。其工作原理是以储热箱为主体，其中有若干个电加热器，用于加热储热箱储热。为了从储热箱中取出热量，利用可控式环行热管原理，构成一个取热循环系统，由热交换器、水泵、管网等构成，与常规的供热系统基本相同。另外，还有一个供热外循环系统，由气液热交换器、液液热交换器、水泵和供暖网管等组成。在取热过程中，取热管的作用是使进入管中的液体工质蒸发，从而带走贮热箱中贮存的热量，送入气液热交换器中，由气液热交换器把热量交换给供暖外循环系统。此后，气体工质进入冷凝器冷凝成液体，由外循环泵送回取热管。取热控制器的作用是控制取热管阀门的大小，从而控制取热量的多少，供热外循环系统和常规的供暖系统基本相同。在这套系统中，我们采用HOLLiAS-LEC G3作为自储能电锅炉的控制系统，担负着整个系统的加热、取热控制，并且对取热温度和外界温度进行监控。
2.2 控制功能设计
(1) 加热贮能:由控制器实现锅炉在电网高峰时段不用电，在平电时段有条件用电，低谷时段加热、储存能量;并且实现再启动加热的控制，对加热限温以防止超温，提高系统运行的经济性和安全性。
(2) 取热供暖:通过触摸屏设定出口温度，PLC采集的出口温度与设定值进行比较，调节阀门的开度，以达到调节出口温度的要求。
(3) 温度监控:温度变送器对加热炉、出口水温进行实时采样，将炉温和出口水温实时传递给控制系统，控制系统根据采样的温度进行实时处理，提高锅炉运行的安全性、可靠性。
(4) 故障报警处理:系统具有运行故障报警或超温限报警等功能，报警时控制系统会提示操作 人员，方便于工作人员及时排除故障。

3 控制系统硬件配置
自储能电锅炉控制系统采用和利时公司的HOLLiAS-LEC G3系列小型一体化PLC，G3系列PLC具有良好的扩展性能和较高的稳定性，并且具备丰富的指令系统。该系统使用1个24点CPU模块LM3107、1个4输入4输出的开关量扩展模块LM3231、3个4通道热电偶扩展模块LM3311和1个4通道热电阻扩展模块LM3312。热电偶与热电阻模块采集温度信号，经过处理后送入CPU模块。PLC的输出部分有报警灯与中间继电器，触摸屏与LM3107通过RS-232口采用Modbus协议连接，线圈部分均有灭弧装置。该系统具备自动、手动控制方式，并可以通过触摸屏进行控制，简洁明了。该系统方案参见图1:

图1 自储能电锅炉控制系统

4 程序流程图
控制系统软件部分由加热控制、取热控制和状态监测三部分组成。
加热程序执行时，首先读取PLC硬件实时时钟，判定当前在谷电、峰电还是平电时段。若在谷电时段，则判断储热箱是否储满能量。如果已满则不加热，否则进行加热。若在峰电时段，则不进行加热。若在平电时段，则判断储热箱内的能量是否即将耗完，如果低于最低设定值则进行加热，否则停止。
取热程序执行时，将外部扩展模块读入的出口温度值与设定值进行比较，通过2个开关量(一个开关量使阀门开度增大，另一个开关量使阀门开度减小)控制取热阀的开度，以达到控制水温的目的。
状态检测程序执行时，当有温度值过高或者过低等故障发生时，PLC会采取相应的报警措施，并转入相应的处理程序。
程序流程图分别如图2、图3、图4所示。

图2 加热控制流程图

图3 取热控制流程图

图4 状态检测流程图
5 结束语
本文提出的自储能电锅炉控制系统具有以下优点:
(1) PLC运行可靠、编程简单，一套PLC即可实现自储能电锅炉加热、储能、取热的控制，并且可对炉温和出口水温进行实时监控;
(2) LM3311、LM3312温度采集模块直接采集工业现场的温度信号，不需要温度变送器，信号直接进入PLC进行处理，精确度高，使用方便;
(3) 适应现代工厂自动化对系统开放性和互联性的需要，和利时的小型一体化PLC具备强大的网络通信功能，可以通过DP网络、以太网或者Modem进行远程监控，具备可升级性。
经过一段时间的调试和试运行，HOLLiAS-LEC G3系列PLC为核心控制系统的解决方案已成功应用于自储能电锅炉设备，运行稳定、操作简单，并且系统的安全性、经济性都有很大的提高。