烏魯木齊市供暖系統PLC應用
瀏覽：1126 發布日期：2017-11-14 15:51:25
摘要：由單片機與繼電器等所組成的控制系統壽命短、系統故障率高。我們設計了PLC控制的變頻調速供暖系統。該系統可靠性高、穩定性好、抗干擾能力強，在惡劣環境下可連續運行，且編程簡單，維護方便。 為了保證供暖系統正常工作，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，根據管道中的壓力，通過變頻器控制泵的轉速，使管道中的壓力始終保持在合適的范圍，并設有過電流、過電壓、過載、斷水超壓等保護裝置。系統中有兩套相同的裝置，一用一備。另外，PLC通過擴展的I／O接口實現控制能力和范圍，能解決監測、通訊等問題。一、控制過程
本系統為PLC實時設備監控系統。對20臺循環水泵、16臺定壓補水泵進行PLC的定時起、停控制，包括主、備用泵（循環水泵、定壓補水泵）的定時切換、水泵前端的水流信號檢測和報警，水泵過載短路故障報警。
上述36臺水泵的電器控制和保護裝置分別安裝在7面柜中，下面以第1面柜為例詳細敘述其控制功能和元件選型。
第1面柜控制兩臺2．2 kW定壓補水泵和三臺循環水泵。補水泵工作方式為一用一備，由PLC根據時間進行主、備切換，水泵由變頻器驅動，進行恒壓控制。即變頻器根據管路上的壓力變送器輸送的壓力反饋信號（4～20）mA與設定的壓力值比較后進行PID調節輸出，驅動定壓補水泵工作。PLC則根據時間進行兩臺泵的切換：具體過程為先使變頻器軟停車、接到變頻器停車信號后分斷當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，其切換時間可根據需要進行設定，兩泵的接觸器互鎖。PLC檢測所有接觸器的開關狀態。
因為變頻器具有短路、過載等保護功能，所以當前變頻器所驅動的水泵發生上述故障時變頻器將自動切斷一次供電回路，進入保護狀態并輸出報警信號。PLC對這些報警信號進行檢測，而后進行備用水泵的投入。具體過程為PLC檢測到報警信號后首先分斷當前水泵的接觸器，后對變頻器復位，然后接通備用水泵的接觸器，啟動變頻器運行備用水泵。同時輸出該泵故障報警信號。
本柜中另外包括3臺30 kW循環水泵，工作方式為兩用一備，由PLC根據時間進行3臺水泵的輪換工作切換。由于循環水泵未采用變頻器控制，因此PLC只需對3臺水泵的接觸器進行按時的分斷接通操作即可。電器保護元件采用GV3、GV2電機保護開關。該電機保護開關具有脫扣指示功能，當水泵發生短路、過載等情況時，電機保護器進行脫扣保護并輸出報警信號，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，運行備用泵，同時發出故障水泵的報警指示。PLC同時檢測所有水泵接觸器的開關狀態。
所有循環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、并進行工作正常指示或不正常報警指示。兩臺定壓補水泵公用一個水流傳感器，工作原理同上。
本系統有若干電動調節閥，由控制柜供電、其運行由儀表氣候補償器控制。PLC將對其供電回路控制。當該電動調節閥對應的某個或某幾個循環水泵關閉或故障時，該電動調節閥將不能夠開啟。
系統設置手動/自動轉換開關。PLC對該開關的狀態實時檢測，當選擇手動功能時，PLC只進行信號的檢測、故障報警和與電動閥的電源回路聯鎖。所有水泵的開、關和切換、變頻器的開、關由手動按鈕控制。當選擇自動狀態時所有控制、報警交由PLC完成。
系統的總體示意圖如圖1所示
二、系統硬件
圖2為系統連接框圖。除傳感器外，其它硬件均安裝在一個配電柜中。PLC不僅要控制循環水泵的起、停，還要間接控制定壓補水泵的起、停和報警輸出。下面以一個換熱站的結構為例進行說明，設P1、P2、P3為三臺循環水泵，P4、P5為兩臺定壓補水泵，P6為PLC的報警輸出。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），三路開關量（起、停和復位）。有兩路輸出信號（故障報警和低于5 Hz運行）。手動控制設有兩個停止按鈕，一個為接觸器的分斷按鈕，一個為變頻器的軟停車按鈕。需要注意的是因為變頻器的停車均設為軟停車，所以手動停車時應該先按軟停車按鈕，軟停車結束后再分斷接觸器（時間由實際情況定）。變頻器的故障復位信號也設有手動和自動兩路輸入。每面柜有一套氣候補償器，其輸入由外接傳感器輸入，輸出控制電動調節閥，氣候補償器具有聲光報警功能。
圖2為系統連接框圖。除傳感器外，其它硬件均安裝在一個配電柜中。PLC不僅要控制循環水泵的起、停，還要間接控制定壓補水泵的起、停和報警輸出。下面以一個換熱站的結構為例進行說明，設P1、P2、P3為三臺循環水泵，P4、P5為兩臺定壓補水泵，P6為PLC的報警輸出。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），三路開關量（起、停和復位）。有兩路輸出信號（故障報警和低于5 Hz運行）。手動控制設有兩個停止按鈕，一個為接觸器的分斷按鈕，一個為變頻器的軟停車按鈕。需要注意的是因為變頻器的停車均設為軟停車，所以手動停車時應該先按軟停車按鈕，軟停車結束后再分斷接觸器（時間由實際情況定）。變頻器的故障復位信號也設有手動和自動兩路輸入。每面柜有一套氣候補償器，其輸入由外接傳感器輸入，輸出控制電動調節閥，氣候補償器具有聲光報警功能。
水流開關用于檢測水泵啟動后管路內是否有水流通過，若泵運行為兩用一備則每臺泵前端安裝一個水流傳感器、共計3個。或一用一備則兩臺泵共計安裝一個水流傳感器。具體工作過程為：PLC啟動某臺泵后，經過設定的延時，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，產生故障報警信號、同時將該水泵斷電并將該泵的備用泵投入運行。
當管路壓力趨于設定值，變頻器工作頻率很低，此時水泵的轉速非常低，水流開關亦有可能發出無水流信號，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小時進行自動切換，運行備用泵。
每面柜均設有一個手動／自動轉換開關，該轉換開關為一個三位選擇開關，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，執行自動控制程序，由PLC控制所有水泵的起、停的切換、包括變頻器的起、停和報警。選2位時，自動指示繼電器分斷，PLC檢測該繼電器的狀態，執行手動程序，PLC只進行檢測報警，此時所有柜面控制按鈕由人工通過柜面上的按鈕和開關進行水泵的起、停和切換，包括變頻器的起、停。需要注意的是在手動狀態下PLC仍處于工作狀態。選擇0位時，此時手動控制電路被切斷，不能控制設備。自動指示繼電器分斷。此時PLC檢測到的信號與選擇手動時一樣，因此PLC執行手動程序，進行故障報警。
每面柜有一個補水電磁閥，電磁閥由對應補水箱內的浮球開關來控制。補水箱內有兩個浮球開關，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輸出，經中間繼電器來控制電磁閥的開、關和超低水位報警。并設有手動按鈕，通過一個兩位開關實現手動與浮球控制的切換。選擇手動時亦有超低水位報警功能。
三、系統軟件
系統PLC軟件采用模塊化編程，由手動運行模塊、自動運行模塊和故障診斷與報警輸出模塊等組成。
1、手動運行模塊
按系統的要求，在系統處于手動運行時，PLC只接收各電路保護信號和各傳感器信號，并由此判斷各工作水泵的運行狀態，在出現故障的情況下，輸出報警信號。
圖3為該程序模塊的流程圖。
當管路壓力趨于設定值，變頻器工作頻率很低，此時水泵的轉速非常低，水流開關亦有可能發出無水流信號，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小時進行自動切換，運行備用泵。
每面柜均設有一個手動／自動轉換開關，該轉換開關為一個三位選擇開關，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，執行自動控制程序，由PLC控制所有水泵的起、停的切換、包括變頻器的起、停和報警。選2位時，自動指示繼電器分斷，PLC檢測該繼電器的狀態，執行手動程序，PLC只進行檢測報警，此時所有柜面控制按鈕由人工通過柜面上的按鈕和開關進行水泵的起、停和切換，包括變頻器的起、停。需要注意的是在手動狀態下PLC仍處于工作狀態。選擇0位時，此時手動控制電路被切斷，不能控制設備。自動指示繼電器分斷。此時PLC檢測到的信號與選擇手動時一樣，因此PLC執行手動程序，進行故障報警。
每面柜有一個補水電磁閥，電磁閥由對應補水箱內的浮球開關來控制。補水箱內有兩個浮球開關，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輸出，經中間繼電器來控制電磁閥的開、關和超低水位報警。并設有手動按鈕，通過一個兩位開關實現手動與浮球控制的切換。選擇手動時亦有超低水位報警功能。
三、系統軟件
系統PLC軟件采用模塊化編程，由手動運行模塊、自動運行模塊和故障診斷與報警輸出模塊等組成。
1、手動運行模塊
按系統的要求，在系統處于手動運行時，PLC只接收各電路保護信號和各傳感器信號，并由此判斷各工作水泵的運行狀態，在出現故障的情況下，輸出報警信號。
圖3為該程序模塊的流程圖。
2、自動運行模塊
3、故障診斷與報警輸出模塊
在故障診斷與報警輸出模塊中，程序通過接收到的電路保護信號和傳感器信號，根據一定的條件得出診斷結果。如果沒有故障，則程序繼續執行；如果有故障，則輸出報警信號，通知工作人員進行處理。
四、結束語
該系統操作簡單，可靠性高，維護方便，并且結構緊湊，動作精確，是PLC在方便人民生活中的一次成功應用。目前采用的PLC變頻供暖系統在烏魯木齊南市區使用一年多來無故障發生，是一種理想的供暖系統。
在故障診斷與報警輸出模塊中，程序通過接收到的電路保護信號和傳感器信號，根據一定的條件得出診斷結果。如果沒有故障，則程序繼續執行；如果有故障，則輸出報警信號，通知工作人員進行處理。
四、結束語
該系統操作簡單，可靠性高，維護方便，并且結構緊湊，動作精確，是PLC在方便人民生活中的一次成功應用。目前采用的PLC變頻供暖系統在烏魯木齊南市區使用一年多來無故障發生，是一種理想的供暖系統。
