PLC論文|PLC變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用研究

　　【關(guān)鍵詞】可編程控制器，變頻調(diào)速，VVVF,供暖系統(tǒng)
　　
　　【摘要】本文介紹了變頻調(diào)速供暖系統(tǒng)的原理，重點(diǎn)介紹了PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)方法。
　　
　　1 前言
　　
　　隨著信息時(shí)代的高速發(fā)展，環(huán)保、節(jié)水、節(jié)能已不再是區(qū)域性話題。據(jù)國(guó)家有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，交流電動(dòng)機(jī)、泵類負(fù)載占全國(guó)耗電量的40%,所以量大面廣的泵類機(jī)械是我國(guó)節(jié)能的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。隨著環(huán)保問(wèn)題的日益深入人心，各大城市正在逐漸將原來(lái)的分散供暖方式變?yōu)榧�中供暖方式。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，勢(shì)必被一種能夠把計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)單功能以及靈活、通用性等優(yōu)點(diǎn)集一體的裝置所代替。當(dāng)前PLC已經(jīng)成為電氣控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的核心裝置。它不僅能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制，還能完成各種順序或定時(shí)的閉環(huán)控制功能，并且可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)，在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間、不間斷的運(yùn)行，且編程簡(jiǎn)單，維護(hù)方便 ,并配有各類通訊接口與模塊處理，可方便各級(jí)連接。
　　
　　2 方案選取
　　
　　在室內(nèi)供暖時(shí)，為了使暖氣管道中沒(méi)有空氣，就必須使管道中的水保持一定的壓力，否則供暖系統(tǒng)不能正常工作。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)變頻器控制泵組的轉(zhuǎn)速，使管道中的壓力始終保持在合適的范圍，并配上過(guò)電流、過(guò)電壓、過(guò)載、斷水超壓設(shè)定的保護(hù)裝置。系統(tǒng)中有兩套相同的裝置，實(shí)現(xiàn)一供一備。另外，PLC通過(guò)擴(kuò)展的I/O接口實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、控制和通訊等功能。
　　
　　3 控制原理
　　
　　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�？刂疲�包括主備泵（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，下面詳細(xì)敘述第一面柜中的控制功能和初步元件選型。其余各柜功能原理同第一面柜。
　　
　　第一面配電柜控制對(duì)象包括兩臺(tái)2.2 kW定壓補(bǔ)水泵和3臺(tái)循環(huán)水泵。補(bǔ)水泵工作方式為一用一設(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、接到變頻器停車結(jié)束信號(hào)后斷開(kāi)當(dāng)前工作水泵的接觸器，同時(shí)對(duì)備用水泵的接觸器進(jìn)行接通操作，繼而啟動(dòng)變頻器，完成主備用泵的切換工作。其切換時(shí)間可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定（使用編程器或手提電腦對(duì)PLC內(nèi)原設(shè)定的切換時(shí)間參數(shù)進(jìn)行修改）。兩臺(tái)泵的接觸器進(jìn)行電器互鎖 .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)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)后首先斷開(kāi)當(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只需要對(duì)3臺(tái)水泵的接觸器進(jìn)行按時(shí)的斷開(kāi)接通操作即可。電器保護(hù)元件采用GV3、GV2馬達(dá)保護(hù)開(kāi)關(guān)。該馬達(dá)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)馬達(dá)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)水泵的出水口均安裝有水流傳感器，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，其配電由控制柜供給、其運(yùn)行控制由安裝于控制柜表面的儀表氣候補(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)控制轉(zhuǎn)換選擇開(kāi)關(guān)。PLC將對(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、變頻器的啟動(dòng)停車均由安裝于控制柜面板的手動(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3—1所示。
　　
　　4 系統(tǒng)硬件
　　
　　4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
　　
　　PLC不僅要控制循環(huán)水泵的起停，還要間接控制定壓補(bǔ)水泵的起停工作和報(bào)警輸出 .下面就一個(gè)換熱站的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明，其它幾個(gè)換熱站的結(jié)構(gòu)基本類同。假設(shè)P1、P2、P3為3臺(tái)循環(huán)水泵，P4、P5為2臺(tái)定壓補(bǔ)水泵，P6為PLC的報(bào)警輸出，則換熱站各硬件的連接如圖4—1所示。
　　
　　4.2 各硬件的工作說(shuō)明
　　
　　除各傳感器外，其它各硬件均安裝在一個(gè)配電柜中。
　　
　　（1）變頻器
　　
　　每面柜定壓泵都由變頻器直接控制，變頻器裝在控制柜內(nèi)，兩臺(tái)定壓水泵公用一臺(tái)變頻器，兩泵電器互鎖。變頻器的起�？刂品譃槭謩�(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（兩路起停信號(hào)和一路復(fù)位信號(hào)）。有兩路輸出信號(hào)（一路故障保護(hù)報(bào)警信號(hào)、低于5Hz運(yùn)行信號(hào)）。變頻器的停車均為軟停車，手動(dòng)控制時(shí)柜面設(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(dòng)停車時(shí)應(yīng)該先按軟停車按鈕，軟停車結(jié)束后再斷開(kāi)接觸器（這一段時(shí)間由實(shí)際情況而定）。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。
　　
　　（2）每面柜有一套氣候補(bǔ)償器，要求配電N=250 W　230 VAC,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)償器為柜面安裝，包括傳感器輸入和控制輸出在內(nèi)共需要27個(gè)二次端子。氣候補(bǔ)償器具有報(bào)警功能，配電柜上留有報(bào)警燈。
　　
　　（3）水流開(kāi)關(guān)
　　
　　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)一定的延時(shí)（此延時(shí)可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定），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)）。
　　
　�。�4）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。
　　
　�。�5）手動(dòng)自動(dòng)選擇開(kāi)關(guān)
　　
　　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位為選擇自動(dòng)，2位為選擇手動(dòng)，0位為斷電懸空。
　　
　　選1位時(shí)手動(dòng)按鈕斷電，手動(dòng)/自動(dòng)指示斷電器吸合，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和切換、包括變頻器的起停和報(bào)警。
　　
　　選擇2位為手動(dòng)，此時(shí)手動(dòng)/自動(dòng)指示繼電器斷開(kāi)，PLC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位為懸空狀態(tài)，此時(shí)手動(dòng)控制部分的柜面按鈕電路被切斷，不能控制設(shè)備 .手動(dòng)/自動(dòng)指示繼電器斷開(kāi)。則PLC此時(shí)檢測(cè)到的信號(hào)與選擇手動(dòng)時(shí)一樣，則PLC執(zhí)行手動(dòng)程序。進(jìn)行故障報(bào)警。
　　
　　（6）補(bǔ)水電磁閥每面柜有一個(gè)補(bǔ)水電磁閥，要求配電N=100 W 220 VAC（7號(hào)柜為2個(gè)），電磁閥由相應(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)處于底位。通過(guò)二者在不同水位的不同的繼電器接點(diǎn)輸出，通過(guò)中間繼電器來(lái)控制電磁閥的起停和進(jìn)行超底水位報(bào)警。本套裝置亦設(shè)有手動(dòng)開(kāi)關(guān)電磁閥的按鈕，安裝與柜面。通過(guò)一個(gè)兩位的選擇開(kāi)關(guān)與浮球控制相切換。選擇手動(dòng)時(shí)亦有超低水位報(bào)警功能。
　　
　　5 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5—1是此模塊的程序流程圖。
　　
　�。�2）自動(dòng)運(yùn)行模塊
　　
　　按系統(tǒng)的要求，在系統(tǒng)處于自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，PLC要完成的工作有：接收各電路保護(hù)信號(hào)；接收各傳感器信號(hào)；定時(shí)按順序?qū)�工作水泵和備用水泵進(jìn)行切換；在出現(xiàn)故障的情況下，輸出報(bào)警信號(hào)。圖5—2是此模塊的程序流程圖。
　　
　�。�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。具體的故障有：
　　
　　a.各工作水泵的過(guò)電流保護(hù)信號(hào)是否有效；
　　
　　b.工作水泵啟動(dòng)后，水流檢測(cè)計(jì)無(wú)法檢測(cè)到水流（定壓補(bǔ)水泵在變頻器工作在超低頻時(shí)不適用）；
　　
　　c.給定壓補(bǔ)水泵供水的蓄水池處于超低水位；
　　
　　d.其它故障。
　　
　　6 結(jié)束語(yǔ)
　　
　　該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，可靠性高，維護(hù)方便，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)使用一年多無(wú)故障，并且結(jié)構(gòu)緊湊，動(dòng)作精確，是一種理想的供暖系統(tǒng)。

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