烏魯木齊市供暖系統(tǒng)PLC應(yīng)用
瀏覽：1146 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?cè)O(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(jiǎn)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(méi)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(guò)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(guò)電流、過(guò)電壓、過(guò)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(guò)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(cè)、通訊等問(wèn)題。一、控制過(guò)程
本系統(tǒng)為PLC實(shí)時(shí)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。對(duì)20臺(tái)循環(huán)水泵、16臺(tái)定壓補(bǔ)水泵進(jìn)行PLC的定時(shí)起、停控制，包括主、備用泵（循環(huán)水泵、定壓補(bǔ)水泵）的定時(shí)切換、水泵前端的水流信號(hào)檢測(cè)和報(bào)警，水泵過(guò)載短路故障報(bào)警。
上述36臺(tái)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(tái)2．2 kW定壓補(bǔ)水泵和三臺(tái)循環(huán)水泵。補(bǔ)水泵工作方式為一用一備，由PLC根據(jù)時(shí)間進(jìn)行主、備切換，水泵由變頻器驅(qū)動(dòng)，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(hào)（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(dòng)定壓補(bǔ)水泵工作。PLC則根據(jù)時(shí)間進(jìn)行兩臺(tái)泵的切換：具體過(guò)程為先使變頻器軟停車(chē)、接到變頻器停車(chē)信號(hào)后分?jǐn)喈?dāng)前工作水泵的接觸器，同時(shí)接通備用水泵的接觸器，繼而啟動(dòng)變頻器，完成主、備用泵的切換，其切換時(shí)間可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定，兩泵的接觸器互鎖。PLC檢測(cè)所有接觸器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。
因?yàn)樽冾l器具有短路、過(guò)載等保護(hù)功能，所以當(dāng)前變頻器所驅(qū)動(dòng)的水泵發(fā)生上述故障時(shí)變頻器將自動(dòng)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(hào)。PLC對(duì)這些報(bào)警信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，而后進(jìn)行備用水泵的投入。具體過(guò)程為PLC檢測(cè)到報(bào)警信號(hào)后首先分?jǐn)喈?dāng)前水泵的接觸器，后對(duì)變頻器復(fù)位，然后接通備用水泵的接觸器，啟動(dòng)變頻器運(yùn)行備用水泵。同時(shí)輸出該泵故障報(bào)警信號(hào)。
本柜中另外包括3臺(tái)30 kW循環(huán)水泵，工作方式為兩用一備，由PLC根據(jù)時(shí)間進(jìn)行3臺(tái)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(duì)3臺(tái)水泵的接觸器進(jìn)行按時(shí)的分?jǐn)嘟油ú僮骷纯伞ｋ娖鞅Ｗo(hù)元件采用GV3、GV2電機(jī)保護(hù)開(kāi)關(guān)。該電機(jī)保護(hù)開(kāi)關(guān)具有脫扣指示功能，當(dāng)水泵發(fā)生短路、過(guò)載等情況時(shí)，電機(jī)保護(hù)器進(jìn)行脫扣保護(hù)并輸出報(bào)警信號(hào)，PLC檢測(cè)到該信號(hào)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(shí)發(fā)出故障水泵的報(bào)警指示。PLC同時(shí)檢測(cè)所有水泵接觸器的開(kāi)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(cè)該水流傳感器的輸出信號(hào)，以判斷該水泵啟動(dòng)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(tái)定壓補(bǔ)水泵公用一個(gè)水流傳感器，工作原理同上。
本系統(tǒng)有若干電動(dòng)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(duì)其供電回路控制。當(dāng)該電動(dòng)調(diào)節(jié)閥對(duì)應(yīng)的某個(gè)或某幾個(gè)循環(huán)水泵關(guān)閉或故障時(shí)，該電動(dòng)調(diào)節(jié)閥將不能夠開(kāi)啟。
系統(tǒng)設(shè)置手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。PLC對(duì)該開(kāi)關(guān)的狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)選擇手動(dòng)功能時(shí)，PLC只進(jìn)行信號(hào)的檢測(cè)、故障報(bào)警和與電動(dòng)閥的電源回路聯(lián)鎖。所有水泵的開(kāi)、關(guān)和切換、變頻器的開(kāi)、關(guān)由手動(dòng)按鈕控制。當(dāng)選擇自動(dòng)狀態(tài)時(shí)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(gè)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(gè)換熱站的結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行說(shuō)明，設(shè)P1、P2、P3為三臺(tái)循環(huán)水泵，P4、P5為兩臺(tái)定壓補(bǔ)水泵，P6為PLC的報(bào)警輸出。兩臺(tái)定壓水泵公用一臺(tái)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(dòng)和PLC控制。變頻器輸入有一路壓力傳感器信號(hào)（反饋量），一路電位器信號(hào)（參考量），三路開(kāi)關(guān)量（起、停和復(fù)位）。有兩路輸出信號(hào)（故障報(bào)警和低于5 Hz運(yùn)行）。手動(dòng)控制設(shè)有兩個(gè)停止按鈕，一個(gè)為接觸器的分?jǐn)喟粹o，一個(gè)為變頻器的軟停車(chē)按鈕。需要注意的是因?yàn)樽冾l器的停車(chē)均設(shè)為軟停車(chē)，所以手動(dòng)停車(chē)時(shí)應(yīng)該先按軟停車(chē)按鈕，軟停車(chē)結(jié)束后再分?jǐn)嘟佑|器（時(shí)間由實(shí)際情況定）。變頻器的故障復(fù)位信號(hào)也設(shè)有手動(dòng)和自動(dòng)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(dòng)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(gè)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(gè)換熱站的結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行說(shuō)明，設(shè)P1、P2、P3為三臺(tái)循環(huán)水泵，P4、P5為兩臺(tái)定壓補(bǔ)水泵，P6為PLC的報(bào)警輸出。兩臺(tái)定壓水泵公用一臺(tái)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(dòng)和PLC控制。變頻器輸入有一路壓力傳感器信號(hào)（反饋量），一路電位器信號(hào)（參考量），三路開(kāi)關(guān)量（起、停和復(fù)位）。有兩路輸出信號(hào)（故障報(bào)警和低于5 Hz運(yùn)行）。手動(dòng)控制設(shè)有兩個(gè)停止按鈕，一個(gè)為接觸器的分?jǐn)喟粹o，一個(gè)為變頻器的軟停車(chē)按鈕。需要注意的是因?yàn)樽冾l器的停車(chē)均設(shè)為軟停車(chē)，所以手動(dòng)停車(chē)時(shí)應(yīng)該先按軟停車(chē)按鈕，軟停車(chē)結(jié)束后再分?jǐn)嘟佑|器（時(shí)間由實(shí)際情況定）。變頻器的故障復(fù)位信號(hào)也設(shè)有手動(dòng)和自動(dòng)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(dòng)調(diào)節(jié)閥，氣候補(bǔ)償器具有聲光報(bào)警功能。
水流開(kāi)關(guān)用于檢測(cè)水泵啟動(dòng)后管路內(nèi)是否有水流通過(guò)，若泵運(yùn)行為兩用一備則每臺(tái)泵前端安裝一個(gè)水流傳感器、共計(jì)3個(gè)。或一用一備則兩臺(tái)泵共計(jì)安裝一個(gè)水流傳感器。具體工作過(guò)程為：PLC啟動(dòng)某臺(tái)泵后，經(jīng)過(guò)設(shè)定的延時(shí)，PLC將檢測(cè)該泵的水流傳感器輸出信號(hào)，若該信號(hào)指示無(wú)水流動(dòng)則PLC判定該水泵故障，產(chǎn)生故障報(bào)警信號(hào)、同時(shí)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(shí)水泵的轉(zhuǎn)速非常低，水流開(kāi)關(guān)亦有可能發(fā)出無(wú)水流信號(hào)，這種情況并非故障，PLC將通過(guò)檢測(cè)變頻器的低頻輸出信號(hào)來(lái)區(qū)別（低于5 Hz時(shí)變頻器輸出一路信號(hào)）。正常情況下水泵24小時(shí)進(jìn)行自動(dòng)切換，運(yùn)行備用泵。
每面柜均設(shè)有一個(gè)手動(dòng)／自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，該轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)為一個(gè)三位選擇開(kāi)關(guān)，安裝于二次控制回路中。1位為自動(dòng)，2位為手動(dòng)，0位為懸空。選1位時(shí)，自動(dòng)指示繼電器吸合，PLC檢測(cè)該繼電器狀態(tài)，執(zhí)行自動(dòng)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(shí)，自動(dòng)指示繼電器分?jǐn)啵琍LC檢測(cè)該繼電器的狀態(tài)，執(zhí)行手動(dòng)程序，PLC只進(jìn)行檢測(cè)報(bào)警，此時(shí)所有柜面控制按鈕由人工通過(guò)柜面上的按鈕和開(kāi)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(dòng)狀態(tài)下PLC仍處于工作狀態(tài)。選擇0位時(shí)，此時(shí)手動(dòng)控制電路被切斷，不能控制設(shè)備。自動(dòng)指示繼電器分?jǐn)唷４藭r(shí)PLC檢測(cè)到的信號(hào)與選擇手動(dòng)時(shí)一樣，因此PLC執(zhí)行手動(dòng)程序，進(jìn)行故障報(bào)警。
每面柜有一個(gè)補(bǔ)水電磁閥，電磁閥由對(duì)應(yīng)補(bǔ)水箱內(nèi)的浮球開(kāi)關(guān)來(lái)控制。補(bǔ)水箱內(nèi)有兩個(gè)浮球開(kāi)關(guān)，一個(gè)處于高位、一個(gè)處于低位。通過(guò)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(lái)控制電磁閥的開(kāi)、關(guān)和超低水位報(bào)警。并設(shè)有手動(dòng)按鈕，通過(guò)一個(gè)兩位開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)與浮球控制的切換。選擇手動(dòng)時(shí)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(dòng)運(yùn)行模塊、自動(dòng)運(yùn)行模塊和故障診斷與報(bào)警輸出模塊等組成。
1、手動(dòng)運(yùn)行模塊
按系統(tǒng)的要求，在系統(tǒng)處于手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，PLC只接收各電路保護(hù)信號(hào)和各傳感器信號(hào)，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(hào)。
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(shí)水泵的轉(zhuǎn)速非常低，水流開(kāi)關(guān)亦有可能發(fā)出無(wú)水流信號(hào)，這種情況并非故障，PLC將通過(guò)檢測(cè)變頻器的低頻輸出信號(hào)來(lái)區(qū)別（低于5 Hz時(shí)變頻器輸出一路信號(hào)）。正常情況下水泵24小時(shí)進(jìn)行自動(dòng)切換，運(yùn)行備用泵。
每面柜均設(shè)有一個(gè)手動(dòng)／自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，該轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)為一個(gè)三位選擇開(kāi)關(guān)，安裝于二次控制回路中。1位為自動(dòng)，2位為手動(dòng)，0位為懸空。選1位時(shí)，自動(dòng)指示繼電器吸合，PLC檢測(cè)該繼電器狀態(tài)，執(zhí)行自動(dòng)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(shí)，自動(dòng)指示繼電器分?jǐn)啵琍LC檢測(cè)該繼電器的狀態(tài)，執(zhí)行手動(dòng)程序，PLC只進(jìn)行檢測(cè)報(bào)警，此時(shí)所有柜面控制按鈕由人工通過(guò)柜面上的按鈕和開(kāi)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(dòng)狀態(tài)下PLC仍處于工作狀態(tài)。選擇0位時(shí)，此時(shí)手動(dòng)控制電路被切斷，不能控制設(shè)備。自動(dòng)指示繼電器分?jǐn)唷４藭r(shí)PLC檢測(cè)到的信號(hào)與選擇手動(dòng)時(shí)一樣，因此PLC執(zhí)行手動(dòng)程序，進(jìn)行故障報(bào)警。
每面柜有一個(gè)補(bǔ)水電磁閥，電磁閥由對(duì)應(yīng)補(bǔ)水箱內(nèi)的浮球開(kāi)關(guān)來(lái)控制。補(bǔ)水箱內(nèi)有兩個(gè)浮球開(kāi)關(guān)，一個(gè)處于高位、一個(gè)處于低位。通過(guò)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(lái)控制電磁閥的開(kāi)、關(guān)和超低水位報(bào)警。并設(shè)有手動(dòng)按鈕，通過(guò)一個(gè)兩位開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)與浮球控制的切換。選擇手動(dòng)時(shí)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(dòng)運(yùn)行模塊、自動(dòng)運(yùn)行模塊和故障診斷與報(bào)警輸出模塊等組成。
1、手動(dòng)運(yùn)行模塊
按系統(tǒng)的要求，在系統(tǒng)處于手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，PLC只接收各電路保護(hù)信號(hào)和各傳感器信號(hào)，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(hào)。
圖3為該程序模塊的流程圖。
2、自動(dòng)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(guò)接收到的電路保護(hù)信號(hào)和傳感器信號(hào)，根據(jù)一定的條件得出診斷結(jié)果。如果沒(méi)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(hào)，通知工作人員進(jìn)行處理。
四、結(jié)束語(yǔ)
該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，可靠性高，維護(hù)方便，并且結(jié)構(gòu)緊湊，動(dòng)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(lái)無(wú)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(guò)接收到的電路保護(hù)信號(hào)和傳感器信號(hào)，根據(jù)一定的條件得出診斷結(jié)果。如果沒(méi)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(hào)，通知工作人員進(jìn)行處理。
四、結(jié)束語(yǔ)
該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，可靠性高，維護(hù)方便，并且結(jié)構(gòu)緊湊，動(dòng)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(lái)無(wú)故障發(fā)生，是一種理想的供暖系統(tǒng)。
