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(diǎn)，實(shí)現熱水系統的自動(dòng)控制，提高了系統的可靠性、穩定性和經(jīng)濟性，探討了使用modbus（工業(yè)現場(chǎng)的總線(xiàn)協(xié)議）實(shí)現遠程控制的方案。
關(guān)鍵詞：熱水工程；工業(yè)現場(chǎng)的總線(xiàn)協(xié)議；可編程邏輯控制器；人機界面
隨著(zhù)我國社會(huì )的快速發(fā)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(xué)校的學(xué)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(zhì)也提出了較高的要求，控制系統是熱水系統中的關(guān)鍵部分，利用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)以及現代通訊技術(shù)，提高熱水系統的可靠性、穩定性、經(jīng)濟性，適應不同環(huán)境、用戶(hù)的節能、可靠的熱水系統成為必然趨勢，熱水供應具備時(shí)間性、集中性特點(diǎn)，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(shí)間、溫度，水位等關(guān)鍵參數。
1、PLC控制系統的原理與特點(diǎn)
PLC控制系統又稱(chēng)可編程邏輯控制器，本質(zhì)上是一個(gè)內置操作運行系統的單片計算機系統，現場(chǎng)信號的反饋、輸入，通過(guò)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(jiǎn)單的特點(diǎn)，但響應速度慢，在要求脈沖輸出的場(chǎng)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(xiě)入在EEPROM中的用戶(hù)程序進(jìn)行讀取和運行工作,電源一般由內置開(kāi)關(guān)電源或外部開(kāi)關(guān)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(gè)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(hù)程序控制執行的，與繼電器邏輯控制相比，線(xiàn)路簡(jiǎn)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(yōu)點(diǎn)，成為取代繼電器邏輯控制線(xiàn)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(yǔ)句，由于梯形圖形象簡(jiǎn)單，容易掌握、使用方便，不需要非常專(zhuān)業(yè)的知識就可進(jìn)行編程。
PLC在運行過(guò)程中，工作的方式為順序掃描運行，整個(gè)運行順序為，現場(chǎng)信號的反饋、輸入采集—用戶(hù)程序的執行運算—執行結果的輸出，以上三個(gè)階段為PLC的一個(gè)掃描周期。PLC的掃描周期一般為幾個(gè)毫秒，如程序出錯、卡死，導致掃描周期過(guò)長(cháng)，PLC內置看門(mén)狗程序就會(huì )觸發(fā)報警, 停止程序的執行，以防帶來(lái)更大的損失。
現場(chǎng)信號的反饋、輸入采集，PLC順序掃描讀入各輸入端口的狀態(tài)，并將狀態(tài)實(shí)時(shí)刷新入相對應的隨機存儲內。
用戶(hù)程序的執行，也是順序掃描，PLC程序的編制大部分用戶(hù)都會(huì )采用比較直觀(guān)易懂的梯形圖進(jìn)行編程，由于PLC程序是遵循先左后右、先上后下的順序進(jìn)行邏輯運算，在編制程序的過(guò)程中要非常注意程序前后順序的安排，如程序中優(yōu)先權比較高的判斷語(yǔ)句，位置要排在低優(yōu)先權語(yǔ)句的后面，避免出現高優(yōu)先權判定輸出，但后續低優(yōu)先權判定不輸出，然后運算結果為沒(méi)有輸出的錯誤，這種錯誤在學(xué)習PLC程序的過(guò)程中是非常容易出現的，當程序比較大的時(shí)候也是不容易排查的一種錯誤。
當PLC的用戶(hù)程序運算結束后，PLC根據程序的運算結果，通過(guò)輸出電路驅動(dòng)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(diǎn)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(mǎn)足速度要求、滿(mǎn)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(diǎn)數選型時(shí)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(diǎn)數，通常預留10%～20%的余量,各預留至少1～2個(gè)點(diǎn)數，由于熱水控制系統對系統響應時(shí)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(chǎng)傳感器、變頻器要求，輸入輸出類(lèi)型選用相對通用性比較高的4～20mA或0～10v信號。
2、PLC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(gè)熱水系統設備的控制，包括運行時(shí)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(huán)警戒水位、溢水保護水位的設定。
控制程序能根據預設的時(shí)間表（可由管理員自行修改）控制空氣源熱泵機組的啟動(dòng)和停止，集熱泵、熱水加壓泵的啟動(dòng)和停止，冷水進(jìn)水的時(shí)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(shí)，補冷水閥啟動(dòng)，此時(shí)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(shí)間段所設定的水位，停止補水；當水位下降時(shí)，補冷水閥開(kāi)啟補水，當水位上升至當前時(shí)間段所設定的水位時(shí)，補冷水閥關(guān)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(shí)停止供水、空氣源熱泵系統關(guān)閉，并啟動(dòng)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(shí)也受機組自身面板控制器控制，當PLC控制系統出現故障時(shí)，可以啟動(dòng)機組面板控制器對機組進(jìn)行控制。熱泵循環(huán)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(shí)，集熱泵啟動(dòng)，延時(shí)30秒熱泵機組啟動(dòng) ，當水箱溫度≥設定的最高溫度（可調）時(shí)，熱泵機組停止，集熱泵延時(shí)60秒停止。同時(shí)熱泵循環(huán)受所設定的循環(huán)警戒水位控制，當水箱內水位低于循環(huán)警戒水位時(shí)，即使水箱溫度＜設定的最低溫度時(shí)，集熱泵和熱泵機組亦不啟動(dòng)。
當熱泵處于防凍運行等自動(dòng)運行情況時(shí)，熱泵反饋信號至PLC控制箱，集熱泵立即啟動(dòng)。
熱水加壓泵受PLC系統設定供水的時(shí)間段控制啟停，供水壓力控制，采用PLC系統實(shí)時(shí)采集管網(wǎng)壓力，控制變頻器對水泵的運行頻率進(jìn)行控制，保證用戶(hù)用水壓力的穩定，達到經(jīng)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(shí)受供水的時(shí)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(shí)段回水電磁閥不工作的功能，以延長(cháng)電磁閥的工作壽命。
PLC控制程序的編制中要充分考慮手動(dòng)和自動(dòng)的切換功能，以及緊急停止功能，當自動(dòng)控制系統故障時(shí)，可方便的切換手自動(dòng)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(chǎn)的PLC種類(lèi)很多，考慮熱水系統規模、功能、結構等，一般選用西門(mén)子S7-200 smart系列的CPU。smart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(shí)現數據的長(cháng)期保存。smart系列的CPU集成了一個(gè)以太網(wǎng)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(mén)子數據線(xiàn)和以太網(wǎng)模塊， RS485接口除CPU本身具備的以外，可方便的通過(guò)相對比較價(jià)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(gè)端口，充分滿(mǎn)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(lèi)型，一般選用相對通用性比較高的4～20mA或0～10v，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(mén)子SMART 700 7寸彩色觸摸屏，通過(guò)普通網(wǎng)線(xiàn)與smart CPU連接，具有反應速度快、節省空間、 堅固耐用等優(yōu)點(diǎn)，己被廣泛應用到自動(dòng)化控制設備等領(lǐng)域。
傳感器根據熱水控制系統的需要，有以下幾種類(lèi)型：
1. 溫度傳感器一般選用PT100鉑熱電阻傳感器，當PT100在0攝氏度的時(shí)候他的阻值為100歐姆，它的阻值會(huì )隨著(zhù)溫度上升而成近似勻速的增長(cháng)，通過(guò)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(kāi)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(diǎn)和直觀(guān)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(guò)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4～20mA或0～10V信號至PLC控制系統控制，液位傳感器選用量程一般為0～50kpa，采集水位高度0～5米，供水壓力傳感器選用量程一般為0～0.6mpa，采集供水壓力，通過(guò)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(diǎn)
在進(jìn)行程序設計前，需明確各個(gè)設備的控制點(diǎn)位、數量，傳感器的點(diǎn)位、要求，各個(gè)輸入輸出口所定義的設備對象、明確各個(gè)設備的工作順序，熱水系統控制需注意以下幾點(diǎn)；
1、熱泵啟動(dòng)前需先開(kāi)啟集熱泵，集熱泵開(kāi)啟后10～30秒才允許開(kāi)啟熱泵主機，熱泵主機關(guān)閉后才允許關(guān)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(lián)動(dòng)。
2、PLC程序的編制過(guò)程中，盡量將各個(gè)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(jìn)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(gè)端口采集的模擬量信號進(jìn)行運算轉換，使PLC程序更加精簡(jiǎn)和易懂，方便后期調試。
3、熱水系統PLC程序中一般需內置簡(jiǎn)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(gè)傳感器是否超限的判定，如出現問(wèn)題需及時(shí)發(fā)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(gè)參數和反饋值內部寄存器地址分配的時(shí)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(shí)間、故障反饋，自動(dòng)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(guò)程中，減少了熱水溫度、水壓的波動(dòng)，提高了熱水供應的質(zhì)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
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