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可編程邏輯控制器在熱水工程中的應用

發布: 2019-11-20     文章來源: 浙江浙大新宇物業集團有限公司     查看: 1797次

可編程邏輯控制器在熱水工程中的應用

摘要:分析了熱水工程中使用可編程邏輯控制器的特點,實現熱水系統的自動控制,提高了系統的可靠性、穩定性和經濟性,探討了使用modbus(工業現場的總線協議)實現遠程控制的方案。

關鍵詞:熱水工程;工業現場的總線協議;可編程邏輯控制器;人機界面

隨著我國社會的快速發展,生活水平的提高,對基礎設施建設配套設施的要求也在逐年提高。學校的學生宿舍、酒店客房、高檔小區等需求熱水的單位,對熱水供應的品質也提出了較高的要求,控制系統是熱水系統中的關鍵部分,利用先進的自動化技術、控制技術以及現代通訊技術,提高熱水系統的可靠性、穩定性、經濟性,適應不同環境、用戶的節能、可靠的熱水系統成為必然趨勢,熱水供應具備時間性、集中性特點,而且對水溫有較高的控制要求,本文主要分析應用PLC控制熱水系統的時間、溫度,水位等關鍵參數。

1PLC控制系統的原理與特點

PLC控制系統又稱可編程邏輯控制器,本質上是一個內置操作運行系統的單片計算機系統,現場信號的反饋、輸入,通過內置光偶隔離,以提高系統的可靠性,輸出部分一般采用繼電器或晶體管輸出,繼電器具有帶載能力強結構簡單的特點,但響應速度慢,在要求脈沖輸出的場合一般采用晶體管輸出,PLC的操作系統固化在內置ROM中,負責PLC的硬件的設置及底層控制,并對寫入在EEPROM中的用戶程序進行讀取和運行工作,電源一般由內置開關電源或外部開關電源提供24v直流電壓,由PLC內置電源模塊變壓后使用、在可靠性要求比較高的系統中,建議使用外置電源供電,一個成熟PLC系統還有相應的保護電路及自診斷電路,PLC的控制是由用戶程序控制執行的,與繼電器邏輯控制相比,線路簡單,可靠性高,運行速度快,具有應用靈活方便、操作維護方便的優點,成為取代繼電器邏輯控制線路的主要方案。

1.1工作原理

PLC的編程多采用繼電器控制梯形圖及命令語句,由于梯形圖形象簡單,容易掌握、使用方便,不需要非常專業的知識就可進行編程。

PLC在運行過程中,工作的方式為順序掃描運行,整個運行順序為,現場信號的反饋、輸入采集用戶程序的執行運算執行結果的輸出,以上三個階段為PLC的一個掃描周期。PLC的掃描周期一般為幾個毫秒,如程序出錯、卡死,導致掃描周期過長,PLC內置看門狗程序就會觸發報警, 停止程序的執行,以防帶來更大的損失。

現場信號的反饋、輸入采集,PLC順序掃描讀入各輸入端口的狀態,并將狀態實時刷新入相對應的隨機存儲內。

用戶程序的執行,也是順序掃描,PLC程序的編制大部分用戶都會采用比較直觀易懂的梯形圖進行編程,由于PLC程序是遵循先左后右、先上后下的順序進行邏輯運算,在編制程序的過程中要非常注意程序前后順序的安排,如程序中優先權比較高的判斷語句,位置要排在低優先權語句的后面,避免出現高優先權判定輸出,但后續低優先權判定不輸出,然后運算結果為沒有輸出的錯誤,這種錯誤在學習PLC程序的過程中是非常容易出現的,當程序比較大的時候也是不容易排查的一種錯誤。

PLC的用戶程序運算結束后,PLC根據程序的運算結果,通過輸出電路驅動相應的輸出。

1.2設備選型

PLC的選型從PLC 的型號、運算速度、存儲器容量、輸入輸出(I/O)點數、電源帶載能力、功能需求、通信能力等多方面加以考慮。PLC機型選型的基本原則是,滿足速度要求、滿足功能、可靠維護方便、合理的安裝結構,機型盡量統一等。

I/O點數選型時應考慮一定的余量,統計所需的數字量輸入、數字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出的點數,通常預留10%20%的余量,各預留至少12個點數,由于熱水控制系統對系統響應時間要求并不嚴格,數字量的輸出可采用繼電器結構,以降低成本,提高可靠性,模擬量輸入輸出模塊可根據現場傳感器、變頻器要求,輸入輸出類型選用相對通用性比較高的420mA010v信號。

2PLC的熱水控制系統應用

2.1  熱水控制程序主要控制邏輯和要求

控制程序應完成對整個熱水系統設備的控制,包括運行時間設置、熱泵啟停、集熱泵啟停、熱水加壓泵啟停、停止溫度設定、回水溫度設定、停止溫度設定、水箱供水警戒水位、循環警戒水位、溢水保護水位的設定。

控制程序能根據預設的時間表(可由管理員自行修改)控制空氣源熱泵機組的啟動和停止,集熱泵、熱水加壓泵的啟動和停止,冷水進水的時間段控制。

補水控制程序:補冷水閥受儲熱水箱內的水位和溫度控制,當儲熱水箱內水溫達到設定的最高溫度(可調)時,補冷水閥啟動,此時空氣源熱泵系統繼續運行,補冷水閥直到儲熱水箱內的溫度T1下降到設定的最低溫度停止補水,如此反復,直至達到當前時間段所設定的水位,停止補水;當水位下降時,補冷水閥開啟補水,當水位上升至當前時間段所設定的水位時,補冷水閥關閉,如此反復;保證熱水系統溫度穩定,補水程序中設定警戒水位,當水箱水位低于警戒水位時停止供水、空氣源熱泵系統關閉,并啟動緊急補水。

加熱控制程序:熱泵機組將受PLC控制系統控制同時也受機組自身面板控制器控制,當PLC控制系統出現故障時,可以啟動機組面板控制器對機組進行控制。熱泵循環受儲熱水箱內溫度控制,當水箱溫度<設定的最低溫度(可調)時,集熱泵啟動,延時30秒熱泵機組啟動 ,當水箱溫度≥設定的最高溫度(可調)時,熱泵機組停止,集熱泵延時60秒停止。同時熱泵循環受所設定的循環警戒水位控制,當水箱內水位低于循環警戒水位時,即使水箱溫度<設定的最低溫度時,集熱泵和熱泵機組亦不啟動。

當熱泵處于防凍運行等自動運行情況時,熱泵反饋信號至PLC控制箱,集熱泵立即啟動。

熱水加壓泵受PLC系統設定供水的時間段控制啟停,供水壓力控制,采用PLC系統實時采集管網壓力,控制變頻器對水泵的運行頻率進行控制,保證用戶用水壓力的穩定,達到經濟、可靠運行的目的。

回水系統由回水電磁閥和回水溫度傳感器組成,同時受供水的時間段控制和回水管末端溫度控制,在PLC程序中,設置在非供水時段回水電磁閥不工作的功能,以延長電磁閥的工作壽命。

PLC控制程序的編制中要充分考慮手動和自動的切換功能,以及緊急停止功能,當自動控制系統故障時,可方便的切換手自動控制和系統的緊急停止。

2.2  PLC控制器及各擴展插件選擇

目前,國內外生產的PLC種類很多,考慮熱水系統規模、功能、結構等,一般選用西門子S7-200 smart系列的CPUsmart系列的CPU 和早期的S7-200cpu相比,具有掃描速度快,數據存儲區可以永久保存,而S7-200cpu需增加電池卡實現數據的長期保存。smart系列的CPU集成了一個以太網接口可以便捷的與觸摸屏通訊、程序下載調試、遠程控制,節約了昂貴的西門子數據線和以太網模塊, RS485接口除CPU本身具備的以外,可方便的通過相對比較價廉的SB CM01擴展板擴展,smart系列的CPU通信端口最大可增至4個端口,充分滿足各種設備、變頻器及運程控制的要求。

模擬量模塊的輸入輸出信號類型,一般選用相對通用性比較高的420mA010v,可以與傳感器、變頻器等設備方便連接,在日后的運行維護中方便靈活更換損壞設備。

人機交互界面(hmi)選用西門子SMART 700 7寸彩色觸摸屏,通過普通網線與smart  CPU連接,具有反應速度快、節省空間、 堅固耐用等優點,己被廣泛應用到自動化控制設備等領域。

傳感器根據熱水控制系統的需要,有以下幾種類型:

1. 溫度傳感器一般選用PT100鉑熱電阻傳感器,當PT1000攝氏度的時候他的阻值為100歐姆,它的阻值會隨著溫度上升而成近似勻速的增長,通過PT100溫度變送器輸出4~20mA信號至PLC控制系統控制,熱水系統溫度傳感器的選用量程一般為0~100℃。

熱水系統中的溫度傳感器一般監測采集水箱的溫度,安裝位置在水箱側面1/3高處,回水溫度的采集,安裝在回水管道處,控制回水電磁閥的開閉,供水溫度的采集,安裝在供水主管道上,作為故障的判定邏輯點和直觀的顯示各區域的供水溫度,空氣溫度的采集,安裝在設備區空曠處,作為熱泵機組投入數量的基準參數。

2、壓力傳感器一般選用擴散硅壓力變送器,通過壓力變送器將管道中熱水的壓力、水箱中的液位等參數輸出420mA010V信號至PLC控制系統控制,液位傳感器選用量程一般為050kpa,采集水位高度05米,供水壓力傳感器選用量程一般為00.6mpa,采集供水壓力,通過PLC控制供水水泵的工作壓力。

2.3 熱水系統PLC程序編程要點

在進行程序設計前,需明確各個設備的控制點位、數量,傳感器的點位、要求,各個輸入輸出口所定義的設備對象、明確各個設備的工作順序,熱水系統控制需注意以下幾點;

1、熱泵啟動前需先開啟集熱泵,集熱泵開啟后1030秒才允許開啟熱泵主機,熱泵主機關閉后才允許關閉集熱泵,集熱泵控制程序需與熱泵控制程序做到軟硬件的聯動。

2、PLC程序的編制過程中,盡量將各個功能編制成獨立的子程序功能模塊,功能模塊在主程序和子程序中調用,如編制模擬量信號運算程序模塊,進行模擬量信號的運算和轉換,在模擬量信號采集子程序中可反復調用此功能模塊,對各個端口采集的模擬量信號進行運算轉換,使PLC程序更加精簡和易懂,方便后期調試。

3、熱水系統PLC程序中一般需內置簡單的故障判斷邏輯,如水箱溫度和供水溫度、回水溫度值的比較判定,各個傳感器是否超限的判定,如出現問題需及時發出報警信號。

4、熱水系統PLC程序的編制中需充分考慮modbus遠程數據監控的可靠性,在各個參數和反饋值內部寄存器地址分配的時候,盡量做到連續,如遠程程序不考慮控制也可編制獨立的modbus從站賦值程序,將不連續的寄存器地址賦值給連續的modbus地址。

5、PLC熱水控制程序中還要具有根據各設備工作時間、故障反饋,自動切換主、副系統的功能。

3、展望

利用PLC控制系統能有效的提高熱泵熱水控制系統的可靠性、響應速度,結合變頻供水系統,在供熱水的過程中,減少了熱水溫度、水壓的波動,提高了熱水供應的質量,可以非常方便的結合遠程監控系統減少系統維護的人力物力,非常適合在熱水系統中應用。

參考文獻

[1] 王永華.電氣控制及PLC及應用技術(第三版).北京:北京航空大學出版社,2013.8.

[2] 王阿根.電氣可編程控制原理與應用[M].2.北京:清華大學出版社,2010.

[3] 廖常初  PLC編程及應用(第4版)重慶  機械工業出版社  2014-01

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