烏魯木齊市供暖系統(tǒng)PLC應(yīng)用
瀏覽：624 發(fā)布日期：2017-11-14 15:51:25
摘要：由單片機(jī)與繼電器等所組成的控制系統(tǒng)壽命短、系統(tǒng)故障率高。我們設(shè)計(jì)了PLC控制的變頻調(diào)速供暖系統(tǒng)。該系統(tǒng)可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)，在惡劣環(huán)境下可連續(xù)運(yùn)行，且編程簡單，維護(hù)方便。 為了保證供暖系統(tǒng)正常工作，必須使暖氣管道中沒有空氣，即保持管道中的水壓恒定。為此，我們選用PLC，配以不同功能的傳感器，根據(jù)管道中的壓力，通過變頻器控制泵的轉(zhuǎn)速，使管道中的壓力始終保持在合適的范圍，并設(shè)有過電流、過電壓、過載、斷水超壓等保護(hù)裝置。系統(tǒng)中有兩套相同的裝置，一用一備。另外，PLC通過擴(kuò)展的I／O接口實(shí)現(xiàn)控制能力和范圍，能解決監(jiān)測、通訊等問題。一、控制過程
本系統(tǒng)為PLC實(shí)時設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。對20臺循環(huán)水泵、16臺定壓補(bǔ)水泵進(jìn)行PLC的定時起、?？刂?，包括主、備用泵（循環(huán)水泵、定壓補(bǔ)水泵）的定時切換、水泵前端的水流信號檢測和報(bào)警，水泵過載短路故障報(bào)警。
上述36臺水泵的電器控制和保護(hù)裝置分別安裝在7面柜中，下面以第1面柜為例詳細(xì)敘述其控制功能和元件選型。
第1面柜控制兩臺2．2 kW定壓補(bǔ)水泵和三臺循環(huán)水泵。補(bǔ)水泵工作方式為一用一備，由PLC根據(jù)時間進(jìn)行主、備切換，水泵由變頻器驅(qū)動，進(jìn)行恒壓控制。即變頻器根據(jù)管路上的壓力變送器輸送的壓力反饋信號（4～20）mA與設(shè)定的壓力值比較后進(jìn)行PID調(diào)節(jié)輸出，驅(qū)動定壓補(bǔ)水泵工作。PLC則根據(jù)時間進(jìn)行兩臺泵的切換：具體過程為先使變頻器軟停車、接到變頻器停車信號后分?jǐn)喈?dāng)前工作水泵的接觸器，同時接通備用水泵的接觸器，繼而啟動變頻器，完成主、備用泵的切換，其切換時間可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定，兩泵的接觸器互鎖。PLC檢測所有接觸器的開關(guān)狀態(tài)。
因?yàn)樽冾l器具有短路、過載等保護(hù)功能，所以當(dāng)前變頻器所驅(qū)動的水泵發(fā)生上述故障時變頻器將自動切斷一次供電回路，進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)并輸出報(bào)警信號。PLC對這些報(bào)警信號進(jìn)行檢測，而后進(jìn)行備用水泵的投入。具體過程為PLC檢測到報(bào)警信號后首先分?jǐn)喈?dāng)前水泵的接觸器，后對變頻器復(fù)位，然后接通備用水泵的接觸器，啟動變頻器運(yùn)行備用水泵。同時輸出該泵故障報(bào)警信號。
本柜中另外包括3臺30 kW循環(huán)水泵，工作方式為兩用一備，由PLC根據(jù)時間進(jìn)行3臺水泵的輪換工作切換。由于循環(huán)水泵未采用變頻器控制，因此PLC只需對3臺水泵的接觸器進(jìn)行按時的分?jǐn)嘟油ú僮骷纯?。電器保護(hù)元件采用GV3、GV2電機(jī)保護(hù)開關(guān)。該電機(jī)保護(hù)開關(guān)具有脫扣指示功能，當(dāng)水泵發(fā)生短路、過載等情況時，電機(jī)保護(hù)器進(jìn)行脫扣保護(hù)并輸出報(bào)警信號，PLC檢測到該信號后切斷該泵的接觸器并將備用水泵的接觸器接通，運(yùn)行備用泵，同時發(fā)出故障水泵的報(bào)警指示。PLC同時檢測所有水泵接觸器的開關(guān)狀態(tài)。
所有循環(huán)水泵的出水口都裝有水流傳感器，PLC檢測該水流傳感器的輸出信號，以判斷該水泵啟動后是否有水流輸出、并進(jìn)行工作正常指示或不正常報(bào)警指示。兩臺定壓補(bǔ)水泵公用一個水流傳感器，工作原理同上。
本系統(tǒng)有若干電動調(diào)節(jié)閥，由控制柜供電、其運(yùn)行由儀表氣候補(bǔ)償器控制。PLC將對其供電回路控制。當(dāng)該電動調(diào)節(jié)閥對應(yīng)的某個或某幾個循環(huán)水泵關(guān)閉或故障時，該電動調(diào)節(jié)閥將不能夠開啟。
系統(tǒng)設(shè)置手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)。PLC對該開關(guān)的狀態(tài)實(shí)時檢測，當(dāng)選擇手動功能時，PLC只進(jìn)行信號的檢測、故障報(bào)警和與電動閥的電源回路聯(lián)鎖。所有水泵的開、關(guān)和切換、變頻器的開、關(guān)由手動按鈕控制。當(dāng)選擇自動狀態(tài)時所有控制、報(bào)警交由PLC完成。
系統(tǒng)的總體示意圖如圖1所示
二、系統(tǒng)硬件
圖2為系統(tǒng)連接框圖。除傳感器外，其它硬件均安裝在一個配電柜中。PLC不僅要控制循環(huán)水泵的起、停，還要間接控制定壓補(bǔ)水泵的起、停和報(bào)警輸出。下面以一個換熱站的結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行說明，設(shè)P1、P2、P3為三臺循環(huán)水泵，P4、P5為兩臺定壓補(bǔ)水泵，P6為PLC的報(bào)警輸出。兩臺定壓水泵公用一臺變頻器，由變頻器直接控制，兩泵電器互鎖。變頻器的起、停控制分為手動和PLC控制。變頻器輸入有一路壓力傳感器信號（反饋量），一路電位器信號（參考量），三路開關(guān)量（起、停和復(fù)位）。有兩路輸出信號（故障報(bào)警和低于5 Hz運(yùn)行）。手動控制設(shè)有兩個停止按鈕，一個為接觸器的分?jǐn)喟粹o，一個為變頻器的軟停車按鈕。需要注意的是因?yàn)樽冾l器的停車均設(shè)為軟停車，所以手動停車時應(yīng)該先按軟停車按鈕，軟停車結(jié)束后再分?jǐn)嘟佑|器（時間由實(shí)際情況定）。變頻器的故障復(fù)位信號也設(shè)有手動和自動兩路輸入。每面柜有一套氣候補(bǔ)償器，其輸入由外接傳感器輸入，輸出控制電動調(diào)節(jié)閥，氣候補(bǔ)償器具有聲光報(bào)警功能。
圖2為系統(tǒng)連接框圖。除傳感器外，其它硬件均安裝在一個配電柜中。PLC不僅要控制循環(huán)水泵的起、停，還要間接控制定壓補(bǔ)水泵的起、停和報(bào)警輸出。下面以一個換熱站的結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行說明，設(shè)P1、P2、P3為三臺循環(huán)水泵，P4、P5為兩臺定壓補(bǔ)水泵，P6為PLC的報(bào)警輸出。兩臺定壓水泵公用一臺變頻器，由變頻器直接控制，兩泵電器互鎖。變頻器的起、停控制分為手動和PLC控制。變頻器輸入有一路壓力傳感器信號（反饋量），一路電位器信號（參考量），三路開關(guān)量（起、停和復(fù)位）。有兩路輸出信號（故障報(bào)警和低于5 Hz運(yùn)行）。手動控制設(shè)有兩個停止按鈕，一個為接觸器的分?jǐn)喟粹o，一個為變頻器的軟停車按鈕。需要注意的是因?yàn)樽冾l器的停車均設(shè)為軟停車，所以手動停車時應(yīng)該先按軟停車按鈕，軟停車結(jié)束后再分?jǐn)嘟佑|器（時間由實(shí)際情況定）。變頻器的故障復(fù)位信號也設(shè)有手動和自動兩路輸入。每面柜有一套氣候補(bǔ)償器，其輸入由外接傳感器輸入，輸出控制電動調(diào)節(jié)閥，氣候補(bǔ)償器具有聲光報(bào)警功能。
水流開關(guān)用于檢測水泵啟動后管路內(nèi)是否有水流通過，若泵運(yùn)行為兩用一備則每臺泵前端安裝一個水流傳感器、共計(jì)3個。或一用一備則兩臺泵共計(jì)安裝一個水流傳感器。具體工作過程為：PLC啟動某臺泵后，經(jīng)過設(shè)定的延時，PLC將檢測該泵的水流傳感器輸出信號，若該信號指示無水流動則PLC判定該水泵故障，產(chǎn)生故障報(bào)警信號、同時將該水泵斷電并將該泵的備用泵投入運(yùn)行。
當(dāng)管路壓力趨于設(shè)定值，變頻器工作頻率很低，此時水泵的轉(zhuǎn)速非常低，水流開關(guān)亦有可能發(fā)出無水流信號，這種情況并非故障，PLC將通過檢測變頻器的低頻輸出信號來區(qū)別（低于5 Hz時變頻器輸出一路信號）。正常情況下水泵24小時進(jìn)行自動切換，運(yùn)行備用泵。
每面柜均設(shè)有一個手動／自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，該轉(zhuǎn)換開關(guān)為一個三位選擇開關(guān)，安裝于二次控制回路中。1位為自動，2位為手動，0位為懸空。選1位時，自動指示繼電器吸合，PLC檢測該繼電器狀態(tài)，執(zhí)行自動控制程序，由PLC控制所有水泵的起、停的切換、包括變頻器的起、停和報(bào)警。選2位時，自動指示繼電器分?jǐn)啵琍LC檢測該繼電器的狀態(tài)，執(zhí)行手動程序，PLC只進(jìn)行檢測報(bào)警，此時所有柜面控制按鈕由人工通過柜面上的按鈕和開關(guān)進(jìn)行水泵的起、停和切換，包括變頻器的起、停。需要注意的是在手動狀態(tài)下PLC仍處于工作狀態(tài)。選擇0位時，此時手動控制電路被切斷，不能控制設(shè)備。自動指示繼電器分?jǐn)?。此時PLC檢測到的信號與選擇手動時一樣，因此PLC執(zhí)行手動程序，進(jìn)行故障報(bào)警。
每面柜有一個補(bǔ)水電磁閥，電磁閥由對應(yīng)補(bǔ)水箱內(nèi)的浮球開關(guān)來控制。補(bǔ)水箱內(nèi)有兩個浮球開關(guān)，一個處于高位、一個處于低位。通過二者在不同水位的不同的繼電器接點(diǎn)輸出，經(jīng)中間繼電器來控制電磁閥的開、關(guān)和超低水位報(bào)警。并設(shè)有手動按鈕，通過一個兩位開關(guān)實(shí)現(xiàn)手動與浮球控制的切換。選擇手動時亦有超低水位報(bào)警功能。
三、系統(tǒng)軟件
系統(tǒng)PLC軟件采用模塊化編程，由手動運(yùn)行模塊、自動運(yùn)行模塊和故障診斷與報(bào)警輸出模塊等組成。
1、手動運(yùn)行模塊
按系統(tǒng)的要求，在系統(tǒng)處于手動運(yùn)行時，PLC只接收各電路保護(hù)信號和各傳感器信號，并由此判斷各工作水泵的運(yùn)行狀態(tài)，在出現(xiàn)故障的情況下，輸出報(bào)警信號。
圖3為該程序模塊的流程圖。
當(dāng)管路壓力趨于設(shè)定值，變頻器工作頻率很低，此時水泵的轉(zhuǎn)速非常低，水流開關(guān)亦有可能發(fā)出無水流信號，這種情況并非故障，PLC將通過檢測變頻器的低頻輸出信號來區(qū)別（低于5 Hz時變頻器輸出一路信號）。正常情況下水泵24小時進(jìn)行自動切換，運(yùn)行備用泵。
每面柜均設(shè)有一個手動／自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，該轉(zhuǎn)換開關(guān)為一個三位選擇開關(guān)，安裝于二次控制回路中。1位為自動，2位為手動，0位為懸空。選1位時，自動指示繼電器吸合，PLC檢測該繼電器狀態(tài)，執(zhí)行自動控制程序，由PLC控制所有水泵的起、停的切換、包括變頻器的起、停和報(bào)警。選2位時，自動指示繼電器分?jǐn)啵琍LC檢測該繼電器的狀態(tài)，執(zhí)行手動程序，PLC只進(jìn)行檢測報(bào)警，此時所有柜面控制按鈕由人工通過柜面上的按鈕和開關(guān)進(jìn)行水泵的起、停和切換，包括變頻器的起、停。需要注意的是在手動狀態(tài)下PLC仍處于工作狀態(tài)。選擇0位時，此時手動控制電路被切斷，不能控制設(shè)備。自動指示繼電器分?jǐn)?。此時PLC檢測到的信號與選擇手動時一樣，因此PLC執(zhí)行手動程序，進(jìn)行故障報(bào)警。
每面柜有一個補(bǔ)水電磁閥，電磁閥由對應(yīng)補(bǔ)水箱內(nèi)的浮球開關(guān)來控制。補(bǔ)水箱內(nèi)有兩個浮球開關(guān)，一個處于高位、一個處于低位。通過二者在不同水位的不同的繼電器接點(diǎn)輸出，經(jīng)中間繼電器來控制電磁閥的開、關(guān)和超低水位報(bào)警。并設(shè)有手動按鈕，通過一個兩位開關(guān)實(shí)現(xiàn)手動與浮球控制的切換。選擇手動時亦有超低水位報(bào)警功能。
三、系統(tǒng)軟件
系統(tǒng)PLC軟件采用模塊化編程，由手動運(yùn)行模塊、自動運(yùn)行模塊和故障診斷與報(bào)警輸出模塊等組成。
1、手動運(yùn)行模塊
按系統(tǒng)的要求，在系統(tǒng)處于手動運(yùn)行時，PLC只接收各電路保護(hù)信號和各傳感器信號，并由此判斷各工作水泵的運(yùn)行狀態(tài)，在出現(xiàn)故障的情況下，輸出報(bào)警信號。
圖3為該程序模塊的流程圖。
2、自動運(yùn)行模塊
3、故障診斷與報(bào)警輸出模塊
在故障診斷與報(bào)警輸出模塊中，程序通過接收到的電路保護(hù)信號和傳感器信號，根據(jù)一定的條件得出診斷結(jié)果。如果沒有故障，則程序繼續(xù)執(zhí)行；如果有故障，則輸出報(bào)警信號，通知工作人員進(jìn)行處理。
四、結(jié)束語
該系統(tǒng)操作簡單，可靠性高，維護(hù)方便，并且結(jié)構(gòu)緊湊，動作精確，是PLC在方便人民生活中的一次成功應(yīng)用。目前采用的PLC變頻供暖系統(tǒng)在烏魯木齊南市區(qū)使用一年多來無故障發(fā)生，是一種理想的供暖系統(tǒng)。
在故障診斷與報(bào)警輸出模塊中，程序通過接收到的電路保護(hù)信號和傳感器信號，根據(jù)一定的條件得出診斷結(jié)果。如果沒有故障，則程序繼續(xù)執(zhí)行；如果有故障，則輸出報(bào)警信號，通知工作人員進(jìn)行處理。
四、結(jié)束語
該系統(tǒng)操作簡單，可靠性高，維護(hù)方便，并且結(jié)構(gòu)緊湊，動作精確，是PLC在方便人民生活中的一次成功應(yīng)用。目前采用的PLC變頻供暖系統(tǒng)在烏魯木齊南市區(qū)使用一年多來無故障發(fā)生，是一種理想的供暖系統(tǒng)。
