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中央空调实验室设备中的PLC改造

  1.中央空调实验室设备的系统组成。从图1 可以看出,中央空调实验室设实质上是微缩版的暧通空调系统,具有制冷剂循环系统、冷却水系统、冷冻水系统,还有包括锅炉(用电热水器模拟)在内的热水系统。夏季时,由压缩机、冷凝器、膨胀阀、储液器、蒸发器组成的制冷循环系统运行,在蒸发器中把水冷冻并输送到冷热盘管,空气被盘管冷却后由送风机送进室内;冬季时,锅炉把水加热,在制热水泵作用下,热水被输送到冷热盘管,送风机把加热后的空气送进室内。

图1 中央空调实验台的系统图
2.中央空调实验台原有的控制系统。
(1)系统电路。如图2、图3 所示,在原控制系统中,冷却塔风机、冷却水泵、制冷水泵、制热水泵和电磁阀都是用开关K3~K7 直接控制开停。分制冷、制热两个回路,用接触器KM1、KM2 分别对压缩机和锅炉进行控制,实现了顺序、延时启动等简单的控制功能。
(2)存在问题。中央空调实验台原有的控制系统存在以下问题:
1)制冷、制热水泵和电磁阀的启动顺序不合理:先启动制冷水泵或制热水泵再开启电磁水阀,显然不合理;
2)冷、热水循环存在互相干扰隐患:如果忘记关闭截止阀F3 和截止阀F4,并同时开启制冷、制热水泵,则将产生冷、热水循环的互相干扰;
3)接线复杂,检修困难:采用直接开关和继电器的控制方式,如果要实现稍为复杂的控制过程,则会导致接线十分繁琐,这不利于故障检修;
4)全手工控制,缺乏保护措施。

图2 原主电路

图3 原控制电路
(三)中央空调实验台控制系统的改造
1.改造方案。(1)加装电磁阀并调整水泵和电磁阀的启动顺序:在冷却水系统中加装一个电磁阀(标识为“电磁阀Ⅰ”),与原来的电磁阀(标识为“电磁阀Ⅱ”)分别控制冷却水循环和冷/热水循环,并把原来的启动顺序调整为:先开启电磁阀,再启动冷/热水泵。(2)对冷、热水泵进行互锁,使冷、热水循环互不干扰。(3)用PLC 系统取代继电器—接触器系统。(4)增加制冷/制热的自动启停、延时、自锁、联锁、互锁等功能。(5)增加压缩机高、低压保护和锅炉的超热保护功能。
2.改造过程。
(1)控制要求。实验台的启动/停止均设有自动、手动两种方式。自动方式用于联锁集中控制,手动方式用于实验、调试或检修。各台设备按工艺要求进行启动,制冷循环启动的顺序为:冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵、制冷压缩机,制热循环启动的顺序为:制热水泵、锅炉。每台设备启动后经15 秒左右延时,再启动下一台设备,主要考虑的因素:一是水泵稳定运行有个过程,二是避免数台电动机同时启动,对电网造成冲击。而停止的顺序为启动的逆序。系统中有必要的电气保护和联锁。此外,中央空调实验台设有压力保护、水流保护和超热保护装置。实验台运行过程中,当压缩机吸气压力过低或压缩机排气压力过高时,压力保护继电器动作,并停止实验台运行,报警灯同时亮起;当冷却水或冷冻水不流动时,相应的水流保护继电器动作,压缩机或锅炉不能启动;当锅炉温度过高时,超热保护继电器动作,并停止整个制热回路的运行,报警灯同时亮起。
(2)主电路的改造。如图4 所示,改造后的主电路有5 台电动机和一个电热水器,分别是冷却水塔风机、冷却水泵电机、冷冻水泵电机、压缩机电机和模拟锅炉。电源由总开关QS 引入,熔断器FU1 为整个电气控制线路提供短路保护。接触器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6 分别控制冷却水塔风机、冷却水泵电机、冷冻水泵电机、压缩机电机和模拟锅炉与电源接通。热继电器FR1、FR2、FR3、FR4、FR5、FR6 是上述6 台设备的过载保护。
(3)继电器控制电路的改造(如图5 所示)。
1)自保持电路:KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6 的常开触点分别并联于启动按钮SB1、SB2、SB3、SB4、SB5、SB6 的常开触点。
2)延时电路:首先是自保持电路动作,带动延时电路的KT1、KT2、KT3、KT4 动作, KT1、KT2、KT3、KT4 的常开触点分别串联于下一电路中。
3)联锁电路:KM1、KM2、KM3、KM5 的常开触点分别串联于下一启动电路中;KM6、KM4、KM3、KM2 的常开触点分别并联于停止按钮SB11、SB9、SB8、SB7 的常闭触点;电磁阀Ⅰ的开关KA1 串联于冷却水泵接触器KM2 的回路中,电磁阀Ⅱ的开关KA2 分别串联于制冷水泵接触器KM3 和制热水泵接触器KM5 的回路中。
4)保护电路:FU2 串联于控制回路中,起短路保护作用;FR1、FR2、FR3、FR4、FR5、FR6 的常闭触点分别串联于各自支路中,对各台设备起过载保护作用。
5)其它元件:KA3、KA4 是高/低压保护继电器,KA5 是锅炉超热保护继电器,KA6 是自动停机按钮,KA7 是制冷系统自动启动按钮,KA8 是制热系统自动启动按钮。
(4)PLC 控制系统的实现。
1)PLC 设备的选型。首先确定输入/输出设备,输入设备:6 个手工启动按钮、6 个手工停机按钮、2 个自动启动按钮、1 个自动停机按钮、2 个电磁阀开关、2 个压力继电器触点、1 个超热保护继电器触点,共20 个输入点,对应20 个开关量输入点;输出设备:6 个交流接触器,1 个报警灯,共7 个输出点,对应7 个开关量输出点。根据I/O 信号的数量、类型及控制要求,同时考虑到维护、改造和经济等诸多因素,选用FX2n-48MR 主机,继电器型输出口,共有24 个开关量输入点和24 个开关量输出点,可满足控制要求。
2)PLC的I/O 元件地址分配。根据前面提到的中央空调实验台的控制功能要求,为I/O 元件分配地址,具体情况见表1。
3)PLC的I/O 接线。PLC 控制系统的I/O 接线如图6 所示,下面对输入/输出接口的连接作简要说明。输入接线:①输入接线方式为汇点式输入;②标记为L 及N 的端子,接入工频电源,一般85V 至260V 均可使用,作为PLC 的原始工作电源;③按钮SB 属于无源触点,接于输入端及COM 端间,其间电源由机内24V 电源提供,COM 端为机内电源的负极。输出接线:①输出接线方式为分组式输出;②输出电源220VAC 接于COM 端与各输出口之间,接触器线圈KM1~KM6 使用相同的电源,因此接于同一COM 端;③电源侧接入5A 熔断器用于短路保护;④输入口与输出口的COM 端是相互隔离的。
4)PLC 梯形图程序。梯形图程序的编写参考了文献。
(5)运行调试。
1)制冷手动启动。①按下冷却塔启动按钮SB1,KM1 首先吸合,冷却塔风机启动;②延时15 秒,且电磁阀Ⅰ开关闭合后,按下冷却水泵启动按钮SB2,KM2 吸合,冷却水泵启动;③再延时15秒,且电磁阀Ⅱ开关闭合后,按下冷冻水泵启动按钮SB3,KM3吸合,冷冻水泵启动;④再延时15 秒,按下压缩机启动按钮SB4,KM4 吸合,压缩机启动。
2)制热手动启动。①按下制热水泵启动按钮SB5,KM5 吸合,制热水泵启动;②延时15 秒后,按下锅炉启动按钮SB6,KM6 吸合,锅炉启动。
3)制冷手动停机。①按下压缩机停机按钮SB10 后,KM4 断开,压缩机停机;②KM4 断开后,按下冷冻水泵停机按钮SB9,KM3 才断开,冷冻水泵停机;③KM3 断开后,按下冷却水泵停机按钮SB8,KM2 才断开,冷却水泵停机;④KM2 断开后,按下冷却塔停机按钮SB7,KM1 才断开,冷却塔风机停机。
4)制热手动停机。①按下锅炉停机按钮SB12 后,KM6 断开,锅炉停机;②KM6 断开后,按下制热水泵停机按钮SB11,KM5 才断开,制热水泵停机。
5)制冷自动启动。①按下制冷自动启动按钮KA7,KM1 首先吸合,冷却塔风机启动;②延时15 秒,且电磁阀Ⅰ开关闭合后,KM2 自动吸合,冷却水泵启动;③再延时15 秒,且电磁阀Ⅱ开关闭合后,KM3 自动吸合,冷冻水泵启动;④再延时15 秒,KM4 自动吸合,压缩机启动。
6)制热自动启动。①按下制热自动启动按钮KA8,KM5 首先吸合,制热水泵启动;②延时15 秒后,KM6 自动吸合,锅炉启动。
7)制冷自动停机。①按下自动停机按钮KA6,KM4 首先断开,压缩机停机;②延时5 秒后,KM3 自动断开,冷冻水泵停机;③再延时5 秒,KM2自动断开,冷却水泵停机;④再延时5 秒,KM1 自动断开,冷却塔风机停机。
8)制热自动停机。①按下自动停机按钮KA6,KM6 首先断开,压缩机停机;②延时5 秒后,KM5 自动断开,制热水泵停机。
9)压缩机保护停机:当压缩机吸气压力过低或压缩机排气压力过高时,低压、高压保护继电器动作,中央空调实验台自动按正确顺序停机,报警灯亮。
10)锅炉保护停机:当锅炉温度过高时,超热保护继电器动作,中央空调实验台自动按正确顺序停机,报警灯亮。

图4 新主电路
3.改造效果。经调试,用PLC 技术改造后的中央空调实验台控制系统,控制功能大大增强,实现了既定的控制目标,改造效果显著: (1)增加了自动启/停功能,使自动化程度大为提高;(2)避免了繁杂的接线工作,且接线布局合理,易于检修;(3)编程简单、方便,现场可修改程序;(4)抗干扰能力强,运行可靠;(5)保护功能的增强使运行过程更加安全。

图5 新继电器控制电路
表1 PLC 的I/O 元件地址分配表
输入信号
名称 功能 编号 名称 功能 编号
SB1 冷却塔启动按钮 X0 KA1 电磁阀Ⅰ X14
SB2 冷却水泵启动按钮 X1 KA2 电磁阀Ⅱ X15
SB3 冷冻水泵启动按钮 X2 KA3 低压保护继电器 X16
SB4 压缩机启动按钮 X3 KA4 高压保护继电器 X17
SB5 制热水泵启动按钮 X4 KA5 锅炉超热继电器 X20
SB6 锅炉启动按钮 X5 KA6 系统自动停机按钮 X21
SB7 冷却塔停机按钮 X6 KA7 制冷系统自动启动按钮X22  
SB8 冷却水泵停机按钮 X7 KA8 制热系统自动启动按钮X23  
SB9 冷冻水泵停机按钮 X10  
SB10 压缩机停机按钮 X11  
SB11 制热水泵停机按钮 X12  
SB12 锅炉停机按钮 X13  
 
输出信号
名称 功能 编号 名称 功能 编号
KM1 冷却塔风机接触器 Y0 KM5 制热水泵电机接触器 Y4
KM2 冷却水泵电机接触器 Y1 KM6 锅炉接触器 Y5
KM3 冷冻水泵电机接触器 Y2 HL 报警灯 Y6
KM4 压缩机电机接触器 Y3      

辅助继电器
名称 功能 编号 名称 功能 编号
KT1 冷却水泵手动启动延时 T0   压缩机自动停机信号 M0
KT2 冷冻水泵手动启动延时 T1   冷冻水泵自动停机信号 M1
KT3 压缩机手动启动延时 T2   冷却水泵自动停机信号 M2
KT4 锅炉手动启动延时 T3   冷却塔自动停机信号 M3
KT5 冷冻水泵自动停机延时 T4   锅炉自动停机信号 M4
KT6 冷却水泵自动停机延时 T5   制热水泵自动停机信号 M5
KT7 冷却塔自动停机延时 T6   冷却塔自动启动信号 M6
KT8 制热水泵自动停机延时 T7   冷却水泵自动启动信号 M7
  冷却水泵自动启动延时 T8   冷冻水泵自动启动信号 M8
  冷冻水泵自动启动延时 T9   压缩机自动启动信号 M9
  压缩机自动启动延时 T10   制热水泵自动启动信号 M10
  锅炉自动启动延时 T11   锅炉自动启动信号 M11


图6 PLC 的I/O 接线图
(四)总结
综上所述,原来采用继电器-接触器控制方式的中央空调实验台存在自动化程度低、接线复杂、检修困难、缺乏保护、故障率高等问题。实践证明,用可编程的PLC 软接线取代传统的固定程序式继电器-接触器硬接线控制方式就能很好地解决以上问题。今后,笔者将在以下两方面继续深入研究:(1)利用电脑对中央空调实验台进行控制和监测;(2)利用校园网对中央空调实验台进行自动监控。