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，重點介紹了PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，以及系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計方法。
　　
　　1 前言
　　
　　隨著信息時代的高速發(fā)展，環(huán)保、節(jié)水、節(jié)能已不再是區(qū)域性話題。據(jù)國家有關(guān)部門統(tǒng)計，交流電動機(jī)、泵類負(fù)載占全國耗電量的40%,所以量大面廣的泵類機(jī)械是我國節(jié)能的重點領(lǐng)域之一。隨著環(huán)保問題的日益深入人心，各大城市正在逐漸將原來的分散供暖方式變?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，勢必被一種能夠把計算機(jī)的簡單功能以及靈活、通用性等優(yōu)點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。它不僅能實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制，還能完成各種順序或定時的閉環(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)境下長時間、不間斷的運行，且編程簡單，維護(hù)方便 ,并配有各類通訊接口與模塊處理，可方便各級連接。
　　
　　2 方案選取
　　
　　在室內(nèi)供暖時，為了使暖氣管道中沒有空氣，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，并配上過電流、過電壓、過載、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，實現(xiàn)一供一備。另外，PLC通過擴(kuò)展的I/O接口實現(xiàn)監(jiān)測、控制和通訊等功能。
　　
　　3 控制原理
　　
　　本系統(tǒng)為PLC實時設(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(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象包括兩臺2.2 kW定壓補(bǔ)水泵和3臺循環(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、接到變頻器停車結(jié)束信號后斷開當(dāng)前工作水泵的接觸器，同時對備用水泵的接觸器進(jìn)行接通操作，繼而啟動變頻器，完成主備用泵的切換工作。其切換時間可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定（使用編程器或手提電腦對PLC內(nèi)原設(shè)定的切換時間參數(shù)進(jìn)行修改）。兩臺泵的接觸器進(jìn)行電器互鎖 .PLC檢測所有接觸器的開關(guān)狀態(tài)。
　　
　　因為變頻器具有短路、過載等保護(hù)功能，所以當(dāng)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)并輸出報警信號。PLC對這些報警信號進(jìn)行檢測，而后進(jìn)行備用水泵的投入。具體過程為PLC檢測到報警信號后首先斷開當(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(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只需要對3臺水泵的接觸器進(jìn)行按時的斷開接通操作即可。電器保護(hù)元件采用GV3、GV2馬達(dá)保護(hù)開關(guān)。該馬達(dá)保護(hù)開關(guān)具有脫扣指示功能，當(dāng)水泵發(fā)生短路、過載等情況時馬達(dá)保護(hù)器進(jìn)行脫扣保護(hù)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(fā)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(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，其配電由控制柜供給、其運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)置手動自動控制轉(zhuǎn)換選擇開關(guān)。PLC將對該開關(guān)的狀態(tài)實時檢測，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、變頻器的啟動停車均由安裝于控制柜面板的手動按鈕控制。當(dāng)選擇自動狀態(tài)時所有控制、報警交由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警輸出 .下面就一個換熱站的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明，其它幾個換熱站的結(jié)構(gòu)基本類同。假設(shè)P1、P2、P3為3臺循環(huán)水泵，P4、P5為2臺定壓補(bǔ)水泵，P6為PLC的報警輸出，則換熱站各硬件的連接如圖4—1所示。
　　
　　4.2 各硬件的工作說明
　　
　　除各傳感器外，其它各硬件均安裝在一個配電柜中。
　　
　�。�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)，兩臺定壓水泵公用一臺變頻器，兩泵電器互鎖。變頻器的起�？刂品譃槭謩雍蚉LC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（兩路起停信號和一路復(fù)位信號）。有兩路輸出信號（一路故障保護(hù)報警信號、低于5Hz運行信號）。變頻器的停車均為軟停車，手動控制時柜面設(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。需要注意的是因為變頻器的停車均設(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)束后再斷開接觸器（這一段時間由實際情況而定）。變頻器的故障復(fù)位信號也設(shè)有手動和自動兩路輸入。
　　
　�。�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個二次端子。氣候補(bǔ)償器具有報警功能，配電柜上留有報警燈。
　　
　　（3）水流開關(guān)
　　
　　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�；蛞挥靡粋鋭t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(jīng)過一定的延時（此延時可以根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定），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)生故障報警信號、同時將該水泵斷電并將該泵的備用泵投入運行。
　　
　　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）。
　　
　　（4）正常情況下水泵24小時進(jìn)行自動切換，運行備用泵。
　　
　�。�5）手動自動選擇開關(guān)
　　
　　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位為選擇自動，2位為選擇手動，0位為斷電懸空。
　　
　　選1位時手動按鈕斷電，手動/自動指示斷電器吸合，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和切換、包括變頻器的起停和報警。
　　
　　選擇2位為手動，此時手動/自動指示繼電器斷開，PLC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位為懸空狀態(tài)，此時手動控制部分的柜面按鈕電路被切斷，不能控制設(shè)備 .手動/自動指示繼電器斷開。則PLC此時檢測到的信號與選擇手動時一樣，則PLC執(zhí)行手動程序。進(jìn)行故障報警。
　　
　�。�6）補(bǔ)水電磁閥每面柜有一個補(bǔ)水電磁閥，要求配電N=100 W 220 VAC（7號柜為2個），電磁閥由相應(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、一個處于底位。通過二者在不同水位的不同的繼電器接點輸出，通過中間繼電器來控制電磁閥的起停和進(jìn)行超底水位報警。本套裝置亦設(shè)有手動開關(guān)電磁閥的按鈕，安裝與柜面。通過一個兩位的選擇開關(guān)與浮球控制相切換。選擇手動時亦有超低水位報警功能。
　　
　　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(tǒng)的要求，在系統(tǒng)處于手動運行時，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行狀態(tài)，在出現(xiàn)故障的情況下，輸出報警信號。圖5—1是此模塊的程序流程圖。
　　
　　（2）自動運行模塊
　　
　　按系統(tǒng)的要求，在系統(tǒng)處于自動運行時，PLC要完成的工作有：接收各電路保護(hù)信號；接收各傳感器信號；定時按順序?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，輸出報警信號。圖5—2是此模塊的程序流程圖。
　　
　�。�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(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，則輸出報警信號，通知工作人員進(jìn)行處理。具體的故障有：
　　
　　a.各工作水泵的過電流保護(hù)信號是否有效；
　　
　　b.工作水泵啟動后，水流檢測計無法檢測到水流（定壓補(bǔ)水泵在變頻器工作在超低頻時不適用）；
　　
　　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
　　
　　該系統(tǒng)操作簡單，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)使用一年多無故障，并且結(jié)構(gòu)緊湊，動作精確，是一種理想的供暖系統(tǒng)。

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