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。
1、PLC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。
当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1～2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4～20mA或0～10v信号。
2、PLC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CPU。smart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4～20mA或0～10v，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PT100在0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4～20mA或0～10V信号至PLC控制系统控制，液位传感器选用量程一般为0～50kpa，采集水位高度0～5米，供水压力传感器选用量程一般为0～0.6mpa，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10～30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
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