中央空調實驗臺控制系統中的PLC改造

1.中央空調實驗臺的系統組成。從圖1 可以看出，中央空調實驗臺實質上是微縮版的曖通空調系統，具有制冷劑循環系統、冷卻水系統、冷凍水系統，還有包括鍋爐（用電熱水器模擬）在內的熱水系統。夏季時，由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、儲液器、蒸發器組成的制冷循環系統運行，在蒸發器中把水冷凍并輸送到冷熱盤管，空氣被盤管冷卻后由送風機送進室內；冬季時，鍋爐把水加熱，在制熱水泵作用下，熱水被輸送到冷熱盤管，送風機把加熱后的空氣送進室內。

圖1 中央空調實驗臺的系統圖
2.中央空調實驗臺原有的控制系統。
（1）系統電路。如圖2、圖3 所示，在原控制系統中，冷卻塔風機、冷卻水泵、制冷水泵、制熱水泵和電磁閥都是用開關K3~K7 直接控制開停。分制冷、制熱兩個回路，用接觸器KM1、KM2 分別對壓縮機和鍋爐進行控制，實現了順序、延時啟動等簡單的控制功能。
（2）存在問題。中央空調實驗臺原有的控制系統存在以下問題：
1）制冷、制熱水泵和電磁閥的啟動順序不合理：先啟動制冷水泵或制熱水泵再開啟電磁水閥，顯然不合理；
2）冷、熱水循環存在互相干擾隱患：如果忘記關閉截止閥F3 和截止閥F4，并同時開啟制冷、制熱水泵，則將產生冷、熱水循環的互相干擾；
3）接線復雜，檢修困難：采用直接開關和繼電器的控制方式，如果要實現稍為復雜的控制過程，則會導致接線十分繁瑣，這不利于故障檢修；
4）全手工控制，缺乏保護措施。

圖2 原主電路

圖3 原控制電路
（三）中央空調實驗臺控制系統的改造
1.改造方案。（1）加裝電磁閥并調整水泵和電磁閥的啟動順序：在冷卻水系統中加裝一個電磁閥（標識為“電磁閥Ⅰ”），與原來的電磁閥（標識為“電磁閥Ⅱ”）分別控制冷卻水循環和冷/熱水循環，并把原來的啟動順序調整為：先開啟電磁閥，再啟動冷/熱水泵。（2）對冷、熱水泵進行互鎖，使冷、熱水循環互不干擾。（3）用PLC 系統取代繼電器—接觸器系統。（4）增加制冷/制熱的自動啟停、延時、自鎖、聯鎖、互鎖等功能。（5）增加壓縮機高、低壓保護和鍋爐的超熱保護功能。
2.改造過程。
（1）控制要求。實驗臺的啟動/停止均設有自動、手動兩種方式。自動方式用于聯鎖集中控制，手動方式用于實驗、調試或檢修。各臺設備按工藝要求進行啟動，制冷循環啟動的順序為：冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵、制冷壓縮機，制熱循環啟動的順序為：制熱水泵、鍋爐。每臺設備啟動后經15 秒左右延時，再啟動下一臺設備，主要考慮的因素：一是水泵穩定運行有個過程，二是避免數臺電動機同時啟動，對電網造成沖擊。而停止的順序為啟動的逆序。系統中有必要的電氣保護和聯鎖。此外，中央空調實驗臺設有壓力保護、水流保護和超熱保護裝置。實驗臺運行過程中，當壓縮機吸氣壓力過低或壓縮機排氣壓力過高時，壓力保護繼電器動作，并停止實驗臺運行，報警燈同時亮起；當冷卻水或冷凍水不流動時，相應的水流保護繼電器動作，壓縮機或鍋爐不能啟動；當鍋爐溫度過高時，超熱保護繼電器動作，并停止整個制熱回路的運行，報警燈同時亮起。
（2）主電路的改造。如圖4 所示，改造后的主電路有5 臺電動機和一個電熱水器，分別是冷卻水塔風機、冷卻水泵電機、冷凍水泵電機、壓縮機電機和模擬鍋爐。電源由總開關QS 引入，熔斷器FU1 為整個電氣控制線路提供短路保護。接觸器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6 分別控制冷卻水塔風機、冷卻水泵電機、冷凍水泵電機、壓縮機電機和模擬鍋爐與電源接通。熱繼電器FR1、FR2、FR3、FR4、FR5、FR6 是上述6 臺設備的過載保護。
（3）繼電器控制電路的改造（如圖5 所示）。
1）自保持電路：KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6 的常開觸點分別并聯于啟動按鈕SB1、SB2、SB3、SB4、SB5、SB6 的常開觸點。
2）延時電路：首先是自保持電路動作，帶動延時電路的KT1、KT2、KT3、KT4 動作， KT1、KT2、KT3、KT4 的常開觸點分別串聯于下一電路中。
3）聯鎖電路：KM1、KM2、KM3、KM5 的常開觸點分別串聯于下一啟動電路中；KM6、KM4、KM3、KM2 的常開觸點分別并聯于停止按鈕SB11、SB9、SB8、SB7 的常閉觸點；電磁閥Ⅰ的開關KA1 串聯于冷卻水泵接觸器KM2 的回路中，電磁閥Ⅱ的開關KA2 分別串聯于制冷水泵接觸器KM3 和制熱水泵接觸器KM5 的回路中。
4）保護電路：FU2 串聯于控制回路中，起短路保護作用；FR1、FR2、FR3、FR4、FR5、FR6 的常閉觸點分別串聯于各自支路中，對各臺設備起過載保護作用。
5）其它元件：KA3、KA4 是高/低壓保護繼電器，KA5 是鍋爐超熱保護繼電器，KA6 是自動停機按鈕，KA7 是制冷系統自動啟動按鈕，KA8 是制熱系統自動啟動按鈕。
（4）PLC 控制系統的實現。
1）PLC 設備的選型。首先確定輸入/輸出設備，輸入設備：6 個手工啟動按鈕、6 個手工停機按鈕、2 個自動啟動按鈕、1 個自動停機按鈕、2 個電磁閥開關、2 個壓力繼電器觸點、1 個超熱保護繼電器觸點，共20 個輸入點，對應20 個開關量輸入點；輸出設備：6 個交流接觸器，1 個報警燈，共7 個輸出點，對應7 個開關量輸出點。根據I/O 信號的數量、類型及控制要求，同時考慮到維護、改造和經濟等諸多因素，選用FX2n-48MR 主機，繼電器型輸出口，共有24 個開關量輸入點和24 個開關量輸出點，可滿足控制要求。
2）PLC的I/O 元件地址分配。根據前面提到的中央空調實驗臺的控制功能要求，為I/O 元件分配地址，具體情況見表1。
3）PLC的I/O 接線。PLC 控制系統的I/O 接線如圖6 所示，下面對輸入/輸出接口的連接作簡要說明。輸入接線：①輸入接線方式為匯點式輸入；②標記為L 及N 的端子，接入工頻電源，一般85V 至260V 均可使用，作為PLC 的原始工作電源；③按鈕SB 屬于無源觸點，接于輸入端及COM 端間，其間電源由機內24V 電源提供，COM 端為機內電源的負極。輸出接線：①輸出接線方式為分組式輸出；②輸出電源220VAC 接于COM 端與各輸出口之間，接觸器線圈KM1～KM6 使用相同的電源，因此接于同一COM 端；③電源側接入5A 熔斷器用于短路保護；④輸入口與輸出口的COM 端是相互隔離的。
4）PLC 梯形圖程序。梯形圖程序的編寫參考了文獻。
（5）運行調試。
1）制冷手動啟動。①按下冷卻塔啟動按鈕SB1，KM1 首先吸合，冷卻塔風機啟動；②延時15 秒，且電磁閥Ⅰ開關閉合后，按下冷卻水泵啟動按鈕SB2，KM2 吸合，冷卻水泵啟動；③再延時15秒，且電磁閥Ⅱ開關閉合后，按下冷凍水泵啟動按鈕SB3，KM3吸合，冷凍水泵啟動；④再延時15 秒，按下壓縮機啟動按鈕SB4，KM4 吸合，壓縮機啟動。
2）制熱手動啟動。①按下制熱水泵啟動按鈕SB5，KM5 吸合，制熱水泵啟動；②延時15 秒后，按下鍋爐啟動按鈕SB6，KM6 吸合，鍋爐啟動。
3）制冷手動停機。①按下壓縮機停機按鈕SB10 后，KM4 斷開，壓縮機停機；②KM4 斷開后，按下冷凍水泵停機按鈕SB9，KM3 才斷開，冷凍水泵停機；③KM3 斷開后，按下冷卻水泵停機按鈕SB8，KM2 才斷開，冷卻水泵停機；④KM2 斷開后，按下冷卻塔停機按鈕SB7，KM1 才斷開，冷卻塔風機停機。
4）制熱手動停機。①按下鍋爐停機按鈕SB12 后，KM6 斷開，鍋爐停機；②KM6 斷開后，按下制熱水泵停機按鈕SB11，KM5 才斷開，制熱水泵停機。
5）制冷自動啟動。①按下制冷自動啟動按鈕KA7，KM1 首先吸合，冷卻塔風機啟動；②延時15 秒，且電磁閥Ⅰ開關閉合后，KM2 自動吸合，冷卻水泵啟動；③再延時15 秒，且電磁閥Ⅱ開關閉合后，KM3 自動吸合，冷凍水泵啟動；④再延時15 秒，KM4 自動吸合，壓縮機啟動。
6）制熱自動啟動。①按下制熱自動啟動按鈕KA8，KM5 首先吸合，制熱水泵啟動；②延時15 秒后，KM6 自動吸合，鍋爐啟動。
7）制冷自動停機。①按下自動停機按鈕KA6，KM4 首先斷開，壓縮機停機；②延時5 秒后，KM3 自動斷開，冷凍水泵停機；③再延時5 秒，KM2自動斷開，冷卻水泵停機；④再延時5 秒，KM1 自動斷開，冷卻塔風機停機。
8）制熱自動停機。①按下自動停機按鈕KA6，KM6 首先斷開，壓縮機停機；②延時5 秒后，KM5 自動斷開，制熱水泵停機。
9）壓縮機保護停機：當壓縮機吸氣壓力過低或壓縮機排氣壓力過高時，低壓、高壓保護繼電器動作，中央空調實驗臺自動按正確順序停機，報警燈亮。
10）鍋爐保護停機：當鍋爐溫度過高時，超熱保護繼電器動作，中央空調實驗臺自動按正確順序停機，報警燈亮。

圖4 新主電路
3.改造效果。經調試，用PLC 技術改造后的中央空調實驗臺控制系統，控制功能大大增強，實現了既定的控制目標，改造效果顯著： （1）增加了自動啟/停功能，使自動化程度大為提高；（2）避免了繁雜的接線工作，且接線布局合理，易于檢修；（3）編程簡單、方便，現場可修改程序；（4）抗干擾能力強，運行可靠；（5）保護功能的增強使運行過程更加安全。



圖6 PLC 的I/O 接線圖
（四）總結
綜上所述，原來采用繼電器-接觸器控制方式的中央空調實驗臺存在自動化程度低、接線復雜、檢修困難、缺乏保護、故障率高等問題。實踐證明，用可編程的PLC 軟接線取代傳統的固定程序式繼電器-接觸器硬接線控制方式就能很好地解決以上問題。今后，筆者將在以下兩方面繼續深入研究：（1）利用電腦對中央空調實驗臺進行控制和監測；（2）利用校園網對中央空調實驗臺進行自動監控。 


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