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PLC论文|PLC变频调速系统应用研究
【关键词】可编程控制器，变频调速，VVVF,供暖系统【摘要】本文介绍了变频调速供暖系统的原理，重点介绍了PLC控制系统的结构特点，以及系统硬件和软件设计方法。
1 前言
随着信息时代的高速发展，环保、节水、节能已不再是区域性话题。据国家有关部门统计，交流电动机、泵类负载占全国耗电量的40%,所以量大面广的泵类机械是我国节能的重点领域之一。随着环保问题的日益深入人心，各大城市正在逐渐将原来的分散供暖方式变为集中供暖方式。由单片机与继电器等所组成的控制系统寿命短、系统故障率高，势必被一种能够把计算机的简单功能以及灵活、通用性等优点集一体的装置所代替。当前PLC已经成为电气控制系统中应用最为广泛的核心装置。它不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成各种顺序或定时的闭环控制功能，并且可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，在恶劣环境下长时间、不间断的运行，且编程简单，维护方便 ,并配有各类通讯接口与模块处理，可方便各级连接。
2 方案选取
在室内供暖时，为了使暖气管道中没有空气，就必须使管道中的水保持一定的压力，否则供暖系统不能正常工作。我们选用PLC,配以不同功能的传感器，根据管道中的压力，通过变频器控制泵组的转速，使管道中的压力始终保持在合适的范围，并配上过电流、过电压、过载、断水超压设定的保护装置。系统中有两套相同的装置，实现一供一备。另外，PLC通过扩展的I/O接口实现监测、控制和通讯等功能。
3 控制原理
本系统为PLC实时设备监控系统。对20台循环水泵、16台定压补水泵进行PLC的定时起停控制，包括主备泵（循环水泵、定压补水泵）的定时切换、水泵前端的水流信号检测和报警，水泵过载短路故障报警。
上述36台水泵的电器控制和保护装置分别安装在7面柜中，下面详细叙述第一面柜中的控制功能和初步元件选型。其余各柜功能原理同第一面柜。
第一面配电柜控制对象包括两台2.2 kW定压补水泵和3台循环水泵。补水泵工作方式为一用一设定的压力值比较后进行PID调节输出，驱动定压补水泵工作。PLC则根据时间进行两台泵的切换，具体过程为先使变频器软停车、接到变频器停车结束信号后断开当前工作水泵的接触器，同时对备用水泵的接触器进行接通操作，继而启动变频器，完成主备用泵的切换工作。其切换时间可根据需要进行设定（使用编程器或手提电脑对PLC内原设定的切换时间参数进行修改）。两台泵的接触器进行电器互锁 .PLC检测所有接触器的开关状态。
因为变频器具有短路、过载等保护功能，所以当当前变频器所驱动的水泵发生上述故障时变频器将自动切断一次供电回路，进入保护状态并输出报警信号。PLC对这些报警信号进行检测，而后进行备用水泵的投入。具体过程为PLC检测到报警信号后首先断开当前水泵的接触器，后对变频器复位，然后接通备用水泵的接触器，启动变频器运行备用水泵。同时输出该泵故障报警信号。
本柜中另外包括3台30 kW循环水泵，工作方式为两用一备，由PLC根据时间进行3台水泵的轮换工作切换。由于循环水泵未采用变频器控制，因此PLC只需要对3台水泵的接触器进行按时的断开接通操作即可。电器保护元件采用GV3、GV2马达保护开关。该马达保护开关具有脱扣指示功能，当水泵发生短路、过载等情况时马达保护器进行脱扣保护并输出报警信号，PLC检测到该信号后切断该泵的接触器并将备用水泵的接触器接通，运行备用泵。同时发出故障水泵的报警指示。PLC同时检测所有水泵接触器的开关状态。
所有循环水泵的出水口均安装有水流传感器，PLC检测该水流传感器的输出信号，以判断该水泵启动后是否有水流输出、并进行工作正常指示或不正常报警指示。两台定压补水泵公用一个水流传感器，工作原理同上。
本系统有若干电动调节阀，其配电由控制柜供给、其运行控制由安装于控制柜表面的仪表气候补偿器控制。PLC将对其供电回路控制。当该电动调节阀对应的某个或某几个循环水泵关闭或故障时，该电动调节阀将不能够开启。
系统设置手动自动控制转换选择开关。PLC将对该开关的状态实时检测，当选择手动功能时，PLC只进行信号的检测、故障报警和与电动阀的电源回路联锁。所有水泵的开关和切换、变频器的启动停车均由安装于控制柜面板的手动按钮控制。当选择自动状态时所有控制、报警交由PLC完成。
系统的总体示意图如图3—1所示。
4 系统硬件
4.1 系统结构框图
PLC不仅要控制循环水泵的起停，还要间接控制定压补水泵的起停工作和报警输出 .下面就一个换热站的结构进行说明，其它几个换热站的结构基本类同。假设P1、P2、P3为3台循环水泵，P4、P5为2台定压补水泵，P6为PLC的报警输出，则换热站各硬件的连接如图4—1所示。
4.2 各硬件的工作说明
除各传感器外，其它各硬件均安装在一个配电柜中。
（1）变频器
每面柜定压泵都由变频器直接控制，变频器装在控制柜内，两台定压水泵公用一台变频器，两泵电器互锁。变频器的起停控制分为手动和PLC控制。变频器输入有一路压力传感器信号（反馈量），一路电位器信号（参考量），三路开关量（两路起停信号和一路复位信号）。有两路输出信号（一路故障保护报警信号、低于5Hz运行信号）。变频器的停车均为软停车，手动控制时柜面设有两个停止按钮，一个为接触器的分断按钮，一个为变频器的软停车按钮。需要注意的是因为变频器的停车均设为软停车，所以手动停车时应该先按软停车按钮，软停车结束后再断开接触器（这一段时间由实际情况而定）。变频器的故障复位信号也设有手动和自动两路输入。
（2）每面柜有一套气候补偿器，要求配电N=250 W 230 VAC,其输入由外接传感器输入，输出控制电动调节阀。气候补偿器为柜面安装，包括传感器输入和控制输出在内共需要27个二次端子。气候补偿器具有报警功能，配电柜上留有报警灯。
（3）水流开关
水流开关用于检测水泵启动后管路内是否有水流通过，若泵运行为两用一备则每台泵前端安装一个水流传感器、共计3个。或一用一备则两台泵共计安装一个水流传感器。具体工作过程为：PLC启动某台泵后，经过一定的延时（此延时可以根据经验设定），PLC将检测该泵的水流传感器输出信号，若该信号指示无水流动则PLC判定该水泵故障，产生故障报警信号、同时将该水泵断电并将该泵的备用泵投入运行。
当管路压力趋于设定值，变频器工作频率很低，此时水泵的转速非常低，水流开关亦有可能发出无水流信号。这种情况并非故障，PLC将通过检测变频器的低频输出信号来区别（低于5 Hz时变频器输出一路信号）。
（4）正常情况下水泵24小时进行自动切换，运行备用泵。
（5）手动自动选择开关
每面柜均设有一个手动/自动转换开关，该转换开关为一个三位选择开关，安装于二次控制回路中。1位为选择自动，2位为选择手动，0位为断电悬空。
选1位时手动按钮断电，手动/自动指示断电器吸合，PLC检测该继电器状态，执行自动控制程序，由PLC控制所有水泵的起停和切换、包括变频器的起停和报警。
选择2位为手动，此时手动/自动指示继电器断开，PLC检测该继电器的状态，执行手动程序。PLC只进行检测报警。此时所有柜面控制按钮由人工通过柜面上的按钮和开关进行水泵的起停和切换、包括变频器的起停。需要注意的是在手动状态下PLC仍处于工作状态。
选择0位为悬空状态，此时手动控制部分的柜面按钮电路被切断，不能控制设备 .手动/自动指示继电器断开。则PLC此时检测到的信号与选择手动时一样，则PLC执行手动程序。进行故障报警。
（6）补水电磁阀每面柜有一个补水电磁阀，要求配电N=100 W 220 VAC（7号柜为2个），电磁阀由相应补水箱内的浮球开关来控制。补水箱内有两个浮球开关，一个处于高位、一个处于底位。通过二者在不同水位的不同的继电器接点输出，通过中间继电器来控制电磁阀的起停和进行超底水位报警。本套装置亦设有手动开关电磁阀的按钮，安装与柜面。通过一个两位的选择开关与浮球控制相切换。选择手动时亦有超低水位报警功能。
5 系统软件
系统PLC软件采用模块化编程，由手动运行模块、自动运行模块和故障诊断与报警输出模块等组成。
（1）手动运行模块
按系统的要求，在系统处于手动运行时，PLC只接收各电路保护信号和各传感器信号，并由此判断各工作水泵的运行状态，在出现故障的情况下，输出报警信号。图5—1是此模块的程序流程图。
（2）自动运行模块
按系统的要求，在系统处于自动运行时，PLC要完成的工作有：接收各电路保护信号；接收各传感器信号；定时按顺序对工作水泵和备用水泵进行切换；在出现故障的情况下，输出报警信号。图5—2是此模块的程序流程图。
（3）故障诊断与报警输出模块
在故障诊断与报警输出模块中，程序通过接收到的电路保护信号和传感器信号，根据一定的条件得出诊断结果。如果没有故障，则程序继续执行；如果有故障，则输出报警信号，通知工作人员进行处理。具体的故障有：
a.各工作水泵的过电流保护信号是否有效；
b.工作水泵启动后，水流检测计无法检测到水流（定压补水泵在变频器工作在超低频时不适用）；
c.给定压补水泵供水的蓄水池处于超低水位；
d.其它故障。
6 结束语
该系统操作简单，可靠性高，维护方便，是PLC在方便人民生活中的一次成功应用 .目前采用的PLC变频供暖系统在乌鲁木齐南市区使用一年多无故障，并且结构紧凑，动作精确，是一种理想的供暖系统。
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