欢迎您, 今天是 -      用户名 密 码 联系我们 设为首页
重要通知  重要通知:
首页 - 设施技委 - 给排水

可编程逻辑控制器在热水工程中的应用

发布: 2019-11-20     文章来源: 浙江浙大新宇物业集团有限公司     查看: 294次

可编程逻辑控制器在热水工程中的应用

摘要:分析了热水工程中使用可编程逻辑控制器的特点,实现热水系统的自动控制,提高了系统的可靠性、稳定性和经济性,探讨了使用modbus(工业现场的总线协议)实现远程控制的方案。

关键词:热水工程;工业现场的总线协议;可编程逻辑控制器;人机界面

随着我国社会的快速发展,生活水平的提高,对基础设施建设配套设施的要求也在逐年提高。学校的学生宿舍、酒店客房、高档小区等需求热水的单位,对热水供应的品质也提出了较高的要求,控制系统是热水系统中的关键部分,利用先进的自动化技术、控制技术以及现代通讯技术,提高热水系统的可靠性、稳定性、经济性,适应不同环境、用户的节能、可靠的热水系统成为必然趋势,热水供应具备时间性、集中性特点,而且对水温有较高的控制要求,本文主要分析应用PLC控制热水系统的时间、温度,水位等关键参数。

1PLC控制系统的原理与特点

PLC控制系统又称可编程逻辑控制器,本质上是一个内置操作运行系统的单片计算机系统,现场信号的反馈、输入,通过内置光偶隔离,以提高系统的可靠性,输出部分一般采用继电器或晶体管输出,继电器具有带载能力强结构简单的特点,但响应速度慢,在要求脉冲输出的场合一般采用晶体管输出,PLC的操作系统固化在内置ROM中,负责PLC的硬件的设置及底层控制,并对写入在EEPROM中的用户程序进行读取和运行工作,电源一般由内置开关电源或外部开关电源提供24v直流电压,由PLC内置电源模块变压后使用、在可靠性要求比较高的系统中,建议使用外置电源供电,一个成熟PLC系统还有相应的保护电路及自诊断电路,PLC的控制是由用户程序控制执行的,与继电器逻辑控制相比,线路简单,可靠性高,运行速度快,具有应用灵活方便、操作维护方便的优点,成为取代继电器逻辑控制线路的主要方案。

1.1工作原理

PLC的编程多采用继电器控制梯形图及命令语句,由于梯形图形象简单,容易掌握、使用方便,不需要非常专业的知识就可进行编程。

PLC在运行过程中,工作的方式为顺序扫描运行,整个运行顺序为,现场信号的反馈、输入采集用户程序的执行运算执行结果的输出,以上三个阶段为PLC的一个扫描周期。PLC的扫描周期一般为几个毫秒,如程序出错、卡死,导致扫描周期过长,PLC内置看门狗程序就会触发报警, 停止程序的执行,以防带来更大的损失。

现场信号的反馈、输入采集,PLC顺序扫描读入各输入端口的状态,并将状态实时刷新入相对应的随机存储内。

用户程序的执行,也是顺序扫描,PLC程序的编制大部分用户都会采用比较直观易懂的梯形图进行编程,由于PLC程序是遵循先左后右、先上后下的顺序进行逻辑运算,在编制程序的过程中要非常注意程序前后顺序的安排,如程序中优先权比较高的判断语句,位置要排在低优先权语句的后面,避免出现高优先权判定输出,但后续低优先权判定不输出,然后运算结果为没有输出的错误,这种错误在学习PLC程序的过程中是非常容易出现的,当程序比较大的时候也是不容易排查的一种错误。

PLC的用户程序运算结束后,PLC根据程序的运算结果,通过输出电路驱动相应的输出。

1.2设备选型

PLC的选型从PLC 的型号、运算速度、存储器容量、输入输出(I/O)点数、电源带载能力、功能需求、通信能力等多方面加以考虑。PLC机型选型的基本原则是,满足速度要求、满足功能、可靠维护方便、合理的安装结构,机型尽量统一等。

I/O点数选型时应考虑一定的余量,统计所需的数字量输入、数字量输出、模拟量输入、模拟量输出的点数,通常预留10%20%的余量,各预留至少12个点数,由于热水控制系统对系统响应时间要求并不严格,数字量的输出可采用继电器结构,以降低成本,提高可靠性,模拟量输入输出模块可根据现场传感器、变频器要求,输入输出类型选用相对通用性比较高的420mA010v信号。

2PLC的热水控制系统应用

2.1  热水控制程序主要控制逻辑和要求

控制程序应完成对整个热水系统设备的控制,包括运行时间设置、热泵启停、集热泵启停、热水加压泵启停、停止温度设定、回水温度设定、停止温度设定、水箱供水警戒水位、循环警戒水位、溢水保护水位的设定。

控制程序能根据预设的时间表(可由管理员自行修改)控制空气源热泵机组的启动和停止,集热泵、热水加压泵的启动和停止,冷水进水的时间段控制。

补水控制程序:补冷水阀受储热水箱内的水位和温度控制,当储热水箱内水温达到设定的最高温度(可调)时,补冷水阀启动,此时空气源热泵系统继续运行,补冷水阀直到储热水箱内的温度T1下降到设定的最低温度停止补水,如此反复,直至达到当前时间段所设定的水位,停止补水;当水位下降时,补冷水阀开启补水,当水位上升至当前时间段所设定的水位时,补冷水阀关闭,如此反复;保证热水系统温度稳定,补水程序中设定警戒水位,当水箱水位低于警戒水位时停止供水、空气源热泵系统关闭,并启动紧急补水。

加热控制程序:热泵机组将受PLC控制系统控制同时也受机组自身面板控制器控制,当PLC控制系统出现故障时,可以启动机组面板控制器对机组进行控制。热泵循环受储热水箱内温度控制,当水箱温度<设定的最低温度(可调)时,集热泵启动,延时30秒热泵机组启动 ,当水箱温度≥设定的最高温度(可调)时,热泵机组停止,集热泵延时60秒停止。同时热泵循环受所设定的循环警戒水位控制,当水箱内水位低于循环警戒水位时,即使水箱温度<设定的最低温度时,集热泵和热泵机组亦不启动。

当热泵处于防冻运行等自动运行情况时,热泵反馈信号至PLC控制箱,集热泵立即启动。

热水加压泵受PLC系统设定供水的时间段控制启停,供水压力控制,采用PLC系统实时采集管网压力,控制变频器对水泵的运行频率进行控制,保证用户用水压力的稳定,达到经济、可靠运行的目的。

回水系统由回水电磁阀和回水温度传感器组成,同时受供水的时间段控制和回水管末端温度控制,在PLC程序中,设置在非供水时段回水电磁阀不工作的功能,以延长电磁阀的工作寿命。

PLC控制程序的编制中要充分考虑手动和自动的切换功能,以及紧急停止功能,当自动控制系统故障时,可方便的切换手自动控制和系统的紧急停止。

2.2  PLC控制器及各扩展插件选择

目前,国内外生产的PLC种类很多,考虑热水系统规模、功能、结构等,一般选用西门子S7-200 smart系列的CPUsmart系列的CPU 和早期的S7-200cpu相比,具有扫描速度快,数据存储区可以永久保存,而S7-200cpu需增加电池卡实现数据的长期保存。smart系列的CPU集成了一个以太网接口可以便捷的与触摸屏通讯、程序下载调试、远程控制,节约了昂贵的西门子数据线和以太网模块, RS485接口除CPU本身具备的以外,可方便的通过相对比较价廉的SB CM01扩展板扩展,smart系列的CPU通信端口最大可增至4个端口,充分满足各种设备、变频器及运程控制的要求。

模拟量模块的输入输出信号类型,一般选用相对通用性比较高的420mA010v,可以与传感器、变频器等设备方便连接,在日后的运行维护中方便灵活更换损坏设备。

人机交互界面(hmi)选用西门子SMART 700 7寸彩色触摸屏,通过普通网线与smart  CPU连接,具有反应速度快、节省空间、 坚固耐用等优点,己被广泛应用到自动化控制设备等领域。

传感器根据热水控制系统的需要,有以下几种类型:

1. 温度传感器一般选用PT100铂热电阻传感器,当PT1000摄氏度的时候他的阻值为100欧姆,它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长,通过PT100温度变送器输出4~20mA信号至PLC控制系统控制,热水系统温度传感器的选用量程一般为0~100℃。

热水系统中的温度传感器一般监测采集水箱的温度,安装位置在水箱侧面1/3高处,回水温度的采集,安装在回水管道处,控制回水电磁阀的开闭,供水温度的采集,安装在供水主管道上,作为故障的判定逻辑点和直观的显示各区域的供水温度,空气温度的采集,安装在设备区空旷处,作为热泵机组投入数量的基准参数。

2、压力传感器一般选用扩散硅压力变送器,通过压力变送器将管道中热水的压力、水箱中的液位等参数输出420mA010V信号至PLC控制系统控制,液位传感器选用量程一般为050kpa,采集水位高度05米,供水压力传感器选用量程一般为00.6mpa,采集供水压力,通过PLC控制供水水泵的工作压力。

2.3 热水系统PLC程序编程要点

在进行程序设计前,需明确各个设备的控制点位、数量,传感器的点位、要求,各个输入输出口所定义的设备对象、明确各个设备的工作顺序,热水系统控制需注意以下几点;

1、热泵启动前需先开启集热泵,集热泵开启后1030秒才允许开启热泵主机,热泵主机关闭后才允许关闭集热泵,集热泵控制程序需与热泵控制程序做到软硬件的联动。

2、PLC程序的编制过程中,尽量将各个功能编制成独立的子程序功能模块,功能模块在主程序和子程序中调用,如编制模拟量信号运算程序模块,进行模拟量信号的运算和转换,在模拟量信号采集子程序中可反复调用此功能模块,对各个端口采集的模拟量信号进行运算转换,使PLC程序更加精简和易懂,方便后期调试。

3、热水系统PLC程序中一般需内置简单的故障判断逻辑,如水箱温度和供水温度、回水温度值的比较判定,各个传感器是否超限的判定,如出现问题需及时发出报警信号。

4、热水系统PLC程序的编制中需充分考虑modbus远程数据监控的可靠性,在各个参数和反馈值内部寄存器地址分配的时候,尽量做到连续,如远程程序不考虑控制也可编制独立的modbus从站赋值程序,将不连续的寄存器地址赋值给连续的modbus地址。

5、PLC热水控制程序中还要具有根据各设备工作时间、故障反馈,自动切换主、副系统的功能。

3、展望

利用PLC控制系统能有效的提高热泵热水控制系统的可靠性、响应速度,结合变频供水系统,在供热水的过程中,减少了热水温度、水压的波动,提高了热水供应的质量,可以非常方便的结合远程监控系统减少系统维护的人力物力,非常适合在热水系统中应用。

参考文献

[1] 王永华.电气控制及PLC及应用技术(第三版).北京:北京航空大学出版社,2013.8.

[2] 王阿根.电气可编程控制原理与应用[M].2.北京:清华大学出版社,2010.

[3] 廖常初  PLC编程及应用(第4版)重庆  机械工业出版社  2014-01