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PLC論文|PLC變頻調速系統應用研究
【關鍵詞】可編程控制器，變頻調速，VVVF,供暖系統【摘要】本文介紹了變頻調速供暖系統的原理，重點介紹了PLC控制系統的結構特點，以及系統硬件和軟件設計方法。
1 前言
隨著信息時代的高速發展，環保、節水、節能已不再是區域性話題。據國家有關部門統計，交流電動機、泵類負載占全國耗電量的40%,所以量大面廣的泵類機械是我國節能的重點領域之一。隨著環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為集中供暖方式。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，勢必被一種能夠把計算機的簡單功能以及靈活、通用性等優點集一體的裝置所代替。當前PLC已經成為電氣控制系統中應用最為廣泛的核心裝置。它不僅能實現復雜的邏輯控制，還能完成各種順序或定時的閉環控制功能，并且可靠性高、穩定性好、抗干擾能力強，在惡劣環境下長時間、不間斷的運行，且編程簡單，維護方便 ,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，否則供暖系統不能正常工作。我們選用PLC,配以不同功能的傳感器，根據管道中的壓力，通過變頻器控制泵組的轉速，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、斷水超壓設定的保護裝置。系統中有兩套相同的裝置，實現一供一備。另外，PLC通過擴展的I/O接口實現監測、控制和通訊等功能。
3 控制原理
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�？刂�，包括主備泵（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，下面詳細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定壓補水泵和3臺循環水泵。補水泵工作方式為一用一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、接到變頻器停車結束信號后斷開當前工作水泵的接觸器，同時對備用水泵的接觸器進行接通操作，繼而啟動變頻器，完成主備用泵的切換工作。其切換時間可根據需要進行設定（使用編程器或手提電腦對PLC內原設定的切換時間參數進行修改）。兩臺泵的接觸器進行電器互鎖 .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斷開當前水泵的接觸器，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只需要對3臺水泵的接觸器進行按時的斷開接通操作即可。電器保護元件采用GV3、GV2馬達保護開關。該馬達保護開關具有脫扣指示功能，當水泵發生短路、過載等情況時馬達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，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。
系統設置手動自動控制轉換選擇開關。PLC將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、變頻器的啟動停車均由安裝于控制柜面板的手動按鈕控制。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3—1所示。
4 系統硬件
4.1 系統結構框圖
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工作和報警輸出 .下面就一個換熱站的結構進行說明，其它幾個換熱站的結構基本類同。假設P1、P2、P3為3臺循環水泵，P4、P5為2臺定壓補水泵，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，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），三路開關量（兩路起停信號和一路復位信號）。有兩路輸出信號（一路故障保護報警信號、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，軟停車結束后再斷開接觸器（這一段時間由實際情況而定）。變頻器的故障復位信號也設有手動和自動兩路輸入。
�。�2）每面柜有一套氣候補償器，要求配電N=250 W 230 VAC,其輸入由外接傳感器輸入，輸出控制電動調節閥。氣候補償器為柜面安裝，包括傳感器輸入和控制輸出在內共需要27個二次端子。氣候補償器具有報警功能，配電柜上留有報警燈。
�。�3）水流開關
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�；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，經過一定的延時（此延時可以根據經驗設定），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）。
�。�4）正常情況下水泵24小時進行自動切換，運行備用泵。
�。�5）手動自動選擇開關
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，執行自動控制程序，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，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位為懸空狀態，此時手動控制部分的柜面按鈕電路被切斷，不能控制設備 .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執行手動程序。進行故障報警。
�。�6）補水電磁閥每面柜有一個補水電磁閥，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行超底水位報警。本套裝置亦設有手動開關電磁閥的按鈕，安裝與柜面。通過一個兩位的選擇開關與浮球控制相切換。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5—1是此模塊的程序流程圖。
�。�2）自動運行模塊
按系統的要求，在系統處于自動運行時，PLC要完成的工作有：接收各電路保護信號；接收各傳感器信號；定時按順序對工作水泵和備用水泵進行切換；在出現故障的情況下，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。具體的故障有：
a.各工作水泵的過電流保護信號是否有效；
b.工作水泵啟動后，水流檢測計無法檢測到水流（定壓補水泵在變頻器工作在超低頻時不適用）；
c.給定壓補水泵供水的蓄水池處于超低水位；
d.其它故障。
6 結束語
該系統操作簡單，可靠性高，維護方便，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無故障，并且結構緊湊，動作精確，是一種理想的供暖系統。
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