用P LC控制变频调速供暖系统的研究
段平平
(新乡市高级技工学校，河南新乡453002)
摘要：目前，随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展，交流调速已占据电气调速系统的主流，同时P LC在工业控制技术中应用愈加广泛，成为现代工业控制的重要组成部分。本文介绍了一种用P LC和变频器联合控制，实现变频调速供暖过程的控制方案。文中较详细地介绍了系统的控制过程、控制要求、P LC应用和P LC接线图的具体内容，并且给出了完整的硬件电路图、软件流程图、梯形图程序和指令表程序，在实际应用中有着一定的指导作用。
关键词：可编程控制器；变频调速；供暖系统
中图分类号:T N6  　文献标识码:A  　文章编号:167326060(2008)0320105204
The Research About Hea ti n g-prov i ded System of
Frequency-var i ed T i m i n g Con trolled by PLC
Duan Pingp ing
(Seni or Technical School of Xinxiang City,Xinxiang453002,China)
Abstract:A t p resent,with the devel opment of electrical and electr onic technol ogy,as well as m icr oelectr onic technol ogy and modern contr ol theory,the AC(A lternating Current)ti m ing has been the main fl ow of electrical s peed-adjust m ent and the main part of modern industrial contr ol.A t the sa me ti m e,P LC has been used widely in industrial contr ol technol ogy and been the i m portant part of modern industrial contr ol.This article intr oduces a kind of frequency-varied s peed-adjus2 ted heat-p r ovided contr ol p r ocess app r oach.This paper p resented the contr ol p r ocess of the syste m,contr ol require ments, choice of P LC type,all ocati ons of input and out put juncti ons,detailed content of P LC linking diagram,and gave the whole hardware circuit diagra m,fl ow sheet of s oft w are,p r ogra m of ladder diagra m and instructi on for m.The content has s ome guiding effort t o the p ractical app licati on of the system.
Key words:Pr ogra mmable Logic Contr oller;Variable Voltage Variable Frequency;Heating-p r ovided syste m
  城市供暖是城市基础设施之一，是保证城市经济发展，居民正常过冬的必要条件。每到冬季供暖期，暖气不暖、暖气过热、供热滞后等供热方与用热方之间的矛盾，就一出出上演。这项本来是“送温暖”的
服务，却让部分居民感到了阵阵寒意，也让供热方左右为难。除此之外，对暖气不热或过热，居民的意见也很大。因此，城市采暖控制系统的改进势在必行。
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。在查阅了大量相关资料以后，笔者研究了用P LC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，研究选用松下FP0型P LC与VF0小型变频器联合控制，再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。系统中循环水泵与定压补水泵都有两套相同的装置，一用一备。另外,P LC通过扩展的I/O接口实现控制，解决监测、通讯等问题。
1　变频调速供暖系统介绍
1.1　总体概述
本系统为P LC实时设备监控系统。对两台循
收稿日期:2008-03-18
环水泵、两台定压补水泵(二者均为一用一备)进行
P LC 的定时起、停控制。包括主、备用泵的定时切换、水泵前端的水流信号和压力信号的检测和报警，出水口的温度信号检测和调节及水泵过载短路故障报警。
系统设置手动/自动转换开关。P LC 对该开关的状态实时检测，当选择手动功能时,P LC 只进行信号的检测和故障报警。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P LC 完成。系统的总体示意图如图1所示。  锅炉将水加热后经主供暖泵被送入主供暖管道，再由主供暖管道通过各个供热站的循环水泵将水送到用户供暖管道中给用户供暖。在循环水泵与用户供暖管中间还加入了定压补水泵，它的转速由变频器控制，目的是调节用户供暖管道的供水量，使管道中的压力始终保持在给定压力上；根据补水量的大小由P LC 控制变频器，再由变频器控制补水泵的转速，实现管道中水压恒定。因为如果要保证给用户正常供暖，管道中就不能有空气，所以就要求管道中的水流畅通，保证供暖的稳定性。
最后用户供暖
图1　系统的总体示意图
管道中的水经过循环又回到锅炉房进行再次利用，实现了节能。
1.2　系统的控制过程
变频恒压供暖系统的系统机构框图如图2所示，它主要是由P LC (运用其P I D 调节功能)、变频器、压力传感器、流量传感器、温度传感器和四台水泵等组成。用户通过控制柜面板上的按钮、转换开关来了解和控制系统的运行
。
图2　系统机构框图
  通过安装在用户供暖管道上的压力传感器，把
用户供暖管道的压力信号变成4～20mA 的标准信号送入P I D 调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使用户供暖管道上的压力保持在给定压力上；根据补水量的大小由P LC 控制变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。同时可编程序控制器中的P I D 调节器，使其具有定时换泵运行功能(即运行泵与备用泵的定时切换)。此外，系统还设有多种保护功能，尤其是硬件/软件备用水泵功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供暖。
上述四台水泵的电器控制和保护装置都安装在一面控制柜中，下面举例详细叙述一下其控制功能和元件选型。控制柜控制两台2.2k W 定压补水泵和两台30k W 循环水泵。补水泵工作方式为一用
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一备，由P LC 根据时间进行主、备切换，水泵由变频器驱动，进行恒压控制。即变频器根据用户供暖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运用松下FP0可编程序控制器中的F355(P I D 高节指令)进行P I D 调节，将调节后的压力值传送到F170(P WM 输出指令)中，该指令根据传送的压力值输出P WM 波形，输出到变频器，变频器根据P WM 波形折合的给定直流电压值，输出对应频率的交流电压，进而控制交流电机的转速，使定压补水泵工作。
P LC 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。
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。P LC 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P LC 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。
本柜中另外包括两台30k W 循环水泵，工作方式也为一用一备，由P LC 根据时间进行两台水泵的
轮换工作切换。由于循环水泵未采用变频器控制，因此P LC 只需对两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G V3,G V2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,P LC 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。
所有循环水泵和补水泵的出水口都装有流量传感器,P LC 检测该流量传感器的输出信号，以判断该水泵启动后是否有足够水流输出。如果水流流量在规定的范围内，则正常工作，当无水流流出或流量不足，不能使系统正常运行，则输出故障报警指示，通知工作人员进行检修。两台循环水泵公用一个流量传感器，定压补水泵亦然。
本系统在主供暖管道上还安装了一个温度传感器，目的是对主管道中的水温进行实时监测，并设定了最低温度和最高温度值，当管道中的温度低于最低温度值，也就是说，这时的水温已不能保证对用户的正常供暖，这时,P LC 将对锅炉的加热系统进行调节，即开启加热炉，当温度上升到最高温度时，停止加热，从而保证用户正常取暖。1.3　系统硬件设计
图3为系统连接框图。除传感器外,
变频器接线图其它硬件
图3　系统连接框图
均安装在一个控制柜中。P LC 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。下面以这个控制柜的结构为例进行说明，两台定压补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P LC 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。流量传感器用于检测水泵启动后管路内是否有足够水流通过，因为泵的运行为一用一备，则两台泵前端各安装一
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个流量传感器。
具体工作过程为:P LC 启动某台泵后，经过设定
的延时,P LC 将检测该泵的流量传感器输出信号，若该信号指示无水流动或水流流量不足，则P LC 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,P LC 将通过检测变频器的低频输出信号来区别(低于5Hz 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。
系统设有一个手动/自动转换开关，该转换开关为一个两位选择开关，安装于二次控制回路中。1位为自动,2位为手动。选1位时，自动指示继电器吸合,P LC 检测该继电器状态，执行自动控制程序，由P LC 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,P LC 检测该继电器的状态，执行手动程序,P LC 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P LC 仍处于工作状态。接通用户供暖管道上的压力传感器，其工作的具体过程为：压力传感器对用户管道中的水流压力进行实时检测，当系统的压力设定值与传感器中的压力反馈信号不同时，则运用F355指令进行P I D 调节，把调节后的数据传送到FP0型P LC 的F170(P WM 脉宽调制输出指令)中，该指令则根据传送的压力数据调节P WM 电压的占空比，从而根据Ud =Ton 3U s/T 调节其输出的平均电压值，变频器根据Ud 输出对应频率f，则由公式n =60f (1-S )/np，可实现对交流电机转速的调节，进而控制定压补水泵工作。1.4　系统软件设计
系统P LC 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。1.4.1　手动运行模块　按系统的要求，在系统处于手动运行时,P LC 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4为该程序模块的流程图。1.4.2　自动运行模块　按系统的要求，在系统处于自动运行时,P LC 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图4　手动运行时程序流程图
备用水泵进行切换；在出现故障的情况下，输出报警
信号。图5是此程序模块的流程图
。
自动运行时程序流程图
1.4.3　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。
2　结束语
在供水暖气管道系统中采用变频调速运行方式，系统可根据实际情况设定水压，自动调节补水泵电机的转速，使供暖管道中的压力保持在给定值，以求最大限度的节能、节水，并使系统处于可靠运行状态，保持暖气管道中的水压恒定，保证用户正常取暖。该系统具有操作简单、动作准确、维护方便等优点，有较高的应用价值。参考文献:
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机械工业出版社,1998.[2]　曾毅等编著.变频调速控制系统的设计与维护[M ].
山东：山东科学技术出版社,2002.[3]　潘奇主编.电工技术杂志[M ].北京：机械工业出版
社,2000.
(责任校对：张丰河)
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