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摘 要：
介绍了变频调速供暖系统的原理，重点介绍了PLC控制系统的结构特点，以及系统硬件和软件设计方法。该系统在乌鲁木齐市南市区已运行年余，尚未见故障发生。
关键词：
可编程控制器；PLC；变频调速；VVVF；供暖系统
一、引言
由单片机与继电器等所组成的控制系统寿命短、系统故障率高。我们设计了PLC控制的变频调速供暖系统。该系统可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，在恶劣环境下可连续运行，且编程简单，维护方便。
为了保证供暖系统正常工作，必须使暖气管道中没有空气，即保持管道中的水压恒定。为此，我们选用PLC，配以不同功能的传感器，根据管道中的压力，通过变频器控制泵的转速，使管道中的压力始终保持在合适的范围，并设有过电流、过电压、过载、断水超压等保护装置。系统中有两套相同的装置，一用一备。另外，PLC通过扩展的I／O接口实现控制能力和范围，能解决监测、通讯等问题。
二、控制过程
本系统为PLC实时设备监控系统。对20台循环水泵、16台定压补水泵进行PLC的定时起、停控制，包括主、备用泵（循环水泵、定压补水泵）的定时切换、水泵前端的水流信号检测和报警，水泵过载短路故障报警。
上述36台水泵的电器控制和保护装置分别安装在7面柜中，下面以第1面柜为例详细叙述其控制功能和元件选型。
第1面柜控制两台2．2 kW定压补水泵和三台循环水泵。补水泵工作方式为一用一备，由PLC根据时间进行主、备切换，水泵由变频器驱动，进行恒压控制。即变频器根据管路上的压力变送器输送的压力反馈信号（4～20）mA与设定的压力值比较后进行PID调节输出，驱动定压补水泵工作。PLC则根据时间进行两台泵的切换：具体过程为先使变频器软停车、接到变频器停车信号后分断当前工作水泵的接触器，同时接通备用水泵的接触器，继而启动变频器，完成主、备用泵的切换，其切换时间可根据需要进行设定，两泵的接触器互锁。PLC检测所有接触器的开关状态。
因为变频器具有短路、过载等保护功能，所以当前变频器所驱动的水泵发生上述故障时变频器将自动切断一次供电回路，进入保护状态并输出报警信号。PLC对这些报警信号进行检测，而后进行备用水泵的投入。具体过程为PLC检测到报警信号后首先分断当前水泵的接触器，后对变频器复位，然后接通备用水泵的接触器，启动变频器运行备用水泵。同时输出该泵故障报警信号。
本柜中另外包括3台30 kW循环水泵，工作方式为两用一备，由PLC根据时间进行3台水泵的轮换工作切换。由于循环水泵未采用变频器控制，因此PLC只需对3台水泵的接触器进行按时的分断接通操作即可。电器保护元件采用GV3、GV2电机保护开关。该电机保护开关具有脱扣指示功能，当水泵发生短路、过载等情况时，电机保护器进行脱扣保护并输出报警信号，PLC检测到该信号后切断该泵的接触器并将备用水泵的接触器接通，运行备用泵，同时发出故障水泵的报警指示。PLC同时检测所有水泵接触器的开关状态。
所有循环水泵的出水口都装有水流传感器，PLC检测该水流传感器的输出信号，以判断该水泵启动后是否有水流输出、并进行工作正常指示或不正常报警指示。两台定压补水泵公用一个水流传感器，工作原理同上。
本系统有若干电动调节阀，由控制柜供电、其运行由仪表气候补偿器控制。PLC将对其供电回路控制。当该电动调节阀对应的某个或某几个循环水泵关闭或故障时，该电动调节阀将不能够开启。
系统设置手动/自动转换开关。PLC对该开关的状态实时检测，当选择手动功能时，PLC只进行信号的检测、故障报警和与电动阀的电源回路联锁。所有水泵的开、关和切换、变频器的开、关由手动按钮控制。当选择自动状态时所有控制、报警交由PLC完成。系统的总体示意图如图1所示。
图1 系统的总体示意图
三、系统硬件
图2为系统连接框图。除传感器外，其它硬件均安装在一个配电柜中。PLC不仅要控制循环水泵的起、停，还要间接控制定压补水泵的起、停和报警输出。下面以一个换热站的结构为例进行说明，设P1、P2、P3为三台循环水泵，P4、P5为两台定压补水泵，P6为PLC的报警输出。两台定压水泵公用一台变频器，由变频器直接控制，两泵电器互锁。变频器的起、停控制分为手动和PLC控制。变频器输入有一路压力传感器信号（反馈量），一路电位器信号（参考量），三路开关量（起、停和复位）。有两路输出信号（故障报警和低于5 Hz运行）。手动控制设有两个停止按钮，一个为接触器的分断按钮，一个为变频器的软停车按钮。需要注意的是因为变频器的停车均设为软停车，所以手动停车时应该先按软停车按钮，软停车结束后再分断接触器（时间由实际情况定）。变频器的故障复位信号也设有手动和自动两路输入。每面柜有一套气候补偿器，其输入由外接传感器输入，输出控制电动调节阀，气候补偿器具有声光报警功能。
图2 系统连接框图
水流开关用于检测水泵启动后管路内是否有水流通过，若泵运行为两用一备则每台泵前端安装一个水流传感器、共计3个。或一用一备则两台泵共计安装一个水流传感器。具体工作过程为：PLC启动某台泵后，经过设定的延时，PLC将检测该泵的水流传感器输出信号，若该信号指示无水流动则PLC判定该水泵故障，产生故障报警信号、同时将该水泵断电并将该泵的备用泵投入运行。
当管路压力趋于设定值，变频器工作频率很低，此时水泵的转速非常低，水流开关亦有可能发出无水流信号，这种情况并非故障，PLC将通过检测变频器的低频输出信号来区别（低于5 Hz时变频器输出一路信号）。正常情况下水泵24小时进行自动切换，运行备用泵。
每面柜均设有一个手动／自动转换开关，该转换开关为一个三位选择开关，安装于二次控制回路中。1位为自动，2位为手动，0位为悬空。选1位时，自动指示继电器吸合，PLC检测该继电器状态，执行自动控制程序，由PLC控制所有水泵的起、停的切换、包括变频器的起、停和报警。选2位时，自动指示继电器分断，PLC检测该继电器的状态，执行手动程序，PLC只进行检测报警，此时所有柜面控制按钮由人工通过柜面上的按钮和开关进行水泵的起、停和切换，包括变频器的起、停。需要注意的是在手动状态下PLC仍处于工作状态。选择0位时，此时手动控制电路被切断，不能控制设备。自动指示继电器分断。此时PLC检测到的信号与选择手动时一样，因此PLC执行手动程序，进行故障报警。
每面柜有一个补水电磁阀，电磁阀由对应补水箱内的浮球开关来控制。补水箱内有两个浮球开关，一个处于高位、一个处于低位。通过二者在不同水位的不同的继电器接点输出，经中间继电器来控制电磁阀的开、关和超低水位报警。并设有手动按钮，通过一个两位开关实现手动与浮球控制的切换。选择手动时亦有超低水位报警功能。
四、系统软件
系统PLC软件采用模块化编程，由手动运行模块、自动运行模块和故障诊断与报警输出模块等组成。
1、手动运行模块
按系统的要求，在系统处于手动运行时，PLC只接收各电路保护信号和各传感器信号，并由此判断各工作水泵的运行状态，在出现故障的情况下，输出报警信号。图3为该程序模块的流程图。
2、自动运行模块
按系统的要求，在系统处于自动运行时，PLC要完成的工作有：接收各电路保护信号；接收各传感器信号；定时按顺序对工作水泵和备用水泵进行切换；在出现故障的情况下，输出报警信号。图4是此程序模块的流程图。
3、故障诊断与报警输出模块
在故障诊断与报警输出模块中，程序通过接收到的电路保护信号和传感器信号，根据一定的条件得出诊断结果。如果没有故障，则程序继续执行；如果有故障，则输出报警信号，通知工作人员进行处理。
五、结束语
该系统操作简单，可靠性高，维护方便，并且结构紧凑，动作精确，是PLC在方便人民生活中的一次成功应用。目前采用的PLC变频供暖系统在乌鲁木齐南市区使用一年多来无故障发生，是一种理想的供暖系统。
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介绍了变频调速供暖系统的原理，重点介绍了PLC控制系统的结构特点，以及系统硬件和软件设计方法。该系统在乌鲁木齐市南市区已运行年余，尚未见故障发生。
关键词：
可编程控制器；PLC；变频调速；VVVF；供暖系统
一、引言
由单片机与继电器等所组成的控制系统寿命短、系统故障率高。我们设计了PLC控制的变频调速供暖系统。该系统可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，在恶劣环境下可连续运行，且编程简单，维护方便。
为了保证供暖系统正常工作，必须使暖气管道中没有空气，即保持管道中的水压恒定。为此，我们选用PLC，配以不同功能的传感器，根据管道中的压力，通过变频器控制泵的转速，使管道中的压力始终保持在合适的范围，并设有过电流、过电压、过载、断水超压等保护装置。系统中有两套相同的装置，一用一备。另外，PLC通过扩展的I／O接口实现控制能力和范围，能解决监测、通讯等问题。
二、控制过程
本系统为PLC实时设备监控系统。对20台循环水泵、16台定压补水泵进行PLC的定时起、停控制，包括主、备用泵（循环水泵、定压补水泵）的定时切换、水泵前端的水流信号检测和报警，水泵过载短路故障报警。
上述36台水泵的电器控制和保护装置分别安装在7面柜中，下面以第1面柜为例详细叙述其控制功能和元件选型。
第1面柜控制两台2．2 kW定压补水泵和三台循环水泵。补水泵工作方式为一用一备，由PLC根据时间进行主、备切换，水泵由变频器驱动，进行恒压控制。即变频器根据管路上的压力变送器输送的压力反馈信号（4～20）mA与设定的压力值比较后进行PID调节输出，驱动定压补水泵工作。PLC则根据时间进行两台泵的切换：具体过程为先使变频器软停车、接到变频器停车信号后分断当前工作水泵的接触器，同时接通备用水泵的接触器，继而启动变频器，完成主、备用泵的切换，其切换时间可根据需要进行设定，两泵的接触器互锁。PLC检测所有接触器的开关状态。
因为变频器具有短路、过载等保护功能，所以当前变频器所驱动的水泵发生上述故障时变频器将自动切断一次供电回路，进入保护状态并输出报警信号。PLC对这些报警信号进行检测，而后进行备用水泵的投入。具体过程为PLC检测到报警信号后首先分断当前水泵的接触器，后对变频器复位，然后接通备用水泵的接触器，启动变频器运行备用水泵。同时输出该泵故障报警信号。
本柜中另外包括3台30 kW循环水泵，工作方式为两用一备，由PLC根据时间进行3台水泵的轮换工作切换。由于循环水泵未采用变频器控制，因此PLC只需对3台水泵的接触器进行按时的分断接通操作即可。电器保护元件采用GV3、GV2电机保护开关。该电机保护开关具有脱扣指示功能，当水泵发生短路、过载等情况时，电机保护器进行脱扣保护并输出报警信号，PLC检测到该信号后切断该泵的接触器并将备用水泵的接触器接通，运行备用泵，同时发出故障水泵的报警指示。PLC同时检测所有水泵接触器的开关状态。
所有循环水泵的出水口都装有水流传感器，PLC检测该水流传感器的输出信号，以判断该水泵启动后是否有水流输出、并进行工作正常指示或不正常报警指示。两台定压补水泵公用一个水流传感器，工作原理同上。
本系统有若干电动调节阀，由控制柜供电、其运行由仪表气候补偿器控制。PLC将对其供电回路控制。当该电动调节阀对应的某个或某几个循环水泵关闭或故障时，该电动调节阀将不能够开启。
系统设置手动/自动转换开关。PLC对该开关的状态实时检测，当选择手动功能时，PLC只进行信号的检测、故障报警和与电动阀的电源回路联锁。所有水泵的开、关和切换、变频器的开、关由手动按钮控制。当选择自动状态时所有控制、报警交由PLC完成。系统的总体示意图如图1所示。
图1 系统的总体示意图
三、系统硬件
图2为系统连接框图。除传感器外，其它硬件均安装在一个配电柜中。PLC不仅要控制循环水泵的起、停，还要间接控制定压补水泵的起、停和报警输出。下面以一个换热站的结构为例进行说明，设P1、P2、P3为三台循环水泵，P4、P5为两台定压补水泵，P6为PLC的报警输出。两台定压水泵公用一台变频器，由变频器直接控制，两泵电器互锁。变频器的起、停控制分为手动和PLC控制。变频器输入有一路压力传感器信号（反馈量），一路电位器信号（参考量），三路开关量（起、停和复位）。有两路输出信号（故障报警和低于5 Hz运行）。手动控制设有两个停止按钮，一个为接触器的分断按钮，一个为变频器的软停车按钮。需要注意的是因为变频器的停车均设为软停车，所以手动停车时应该先按软停车按钮，软停车结束后再分断接触器（时间由实际情况定）。变频器的故障复位信号也设有手动和自动两路输入。每面柜有一套气候补偿器，其输入由外接传感器输入，输出控制电动调节阀，气候补偿器具有声光报警功能。
图2 系统连接框图
水流开关用于检测水泵启动后管路内是否有水流通过，若泵运行为两用一备则每台泵前端安装一个水流传感器、共计3个。或一用一备则两台泵共计安装一个水流传感器。具体工作过程为：PLC启动某台泵后，经过设定的延时，PLC将检测该泵的水流传感器输出信号，若该信号指示无水流动则PLC判定该水泵故障，产生故障报警信号、同时将该水泵断电并将该泵的备用泵投入运行。
当管路压力趋于设定值，变频器工作频率很低，此时水泵的转速非常低，水流开关亦有可能发出无水流信号，这种情况并非故障，PLC将通过检测变频器的低频输出信号来区别（低于5 Hz时变频器输出一路信号）。正常情况下水泵24小时进行自动切换，运行备用泵。
每面柜均设有一个手动／自动转换开关，该转换开关为一个三位选择开关，安装于二次控制回路中。1位为自动，2位为手动，0位为悬空。选1位时，自动指示继电器吸合，PLC检测该继电器状态，执行自动控制程序，由PLC控制所有水泵的起、停的切换、包括变频器的起、停和报警。选2位时，自动指示继电器分断，PLC检测该继电器的状态，执行手动程序，PLC只进行检测报警，此时所有柜面控制按钮由人工通过柜面上的按钮和开关进行水泵的起、停和切换，包括变频器的起、停。需要注意的是在手动状态下PLC仍处于工作状态。选择0位时，此时手动控制电路被切断，不能控制设备。自动指示继电器分断。此时PLC检测到的信号与选择手动时一样，因此PLC执行手动程序，进行故障报警。
每面柜有一个补水电磁阀，电磁阀由对应补水箱内的浮球开关来控制。补水箱内有两个浮球开关，一个处于高位、一个处于低位。通过二者在不同水位的不同的继电器接点输出，经中间继电器来控制电磁阀的开、关和超低水位报警。并设有手动按钮，通过一个两位开关实现手动与浮球控制的切换。选择手动时亦有超低水位报警功能。
四、系统软件
系统PLC软件采用模块化编程，由手动运行模块、自动运行模块和故障诊断与报警输出模块等组成。
1、手动运行模块
按系统的要求，在系统处于手动运行时，PLC只接收各电路保护信号和各传感器信号，并由此判断各工作水泵的运行状态，在出现故障的情况下，输出报警信号。图3为该程序模块的流程图。
2、自动运行模块
按系统的要求，在系统处于自动运行时，PLC要完成的工作有：接收各电路保护信号；接收各传感器信号；定时按顺序对工作水泵和备用水泵进行切换；在出现故障的情况下，输出报警信号。图4是此程序模块的流程图。
3、故障诊断与报警输出模块
在故障诊断与报警输出模块中，程序通过接收到的电路保护信号和传感器信号，根据一定的条件得出诊断结果。如果没有故障，则程序继续执行；如果有故障，则输出报警信号，通知工作人员进行处理。
五、结束语
该系统操作简单，可靠性高，维护方便，并且结构紧凑，动作精确，是PLC在方便人民生活中的一次成功应用。目前采用的PLC变频供暖系统在乌鲁木齐南市区使用一年多来无故障发生，是一种理想的供暖系统。