可編程邏輯控制器在熱水工程中的應(yīng)用

黃繼軍

（浙江恒業(yè)房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司 浙江杭州 310027）

1 熱水供應(yīng)的重要性

隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的飛速發(fā)展，生活水平的提高，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)配套設(shè)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(qū)等需求熱水的單位，對(duì)熱水供應(yīng)的品質(zhì)也提出了較高的要求，控制系統(tǒng)是熱水系統(tǒng)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(xiàn)代通訊技術(shù)，提高熱水系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性，適應(yīng)不同環(huán)境、用戶的節(jié)能、可靠的熱水系統(tǒng)成為必然趨勢(shì)，熱水供應(yīng)具備時(shí)間性、集中性點(diǎn)特點(diǎn)，而且對(duì)水溫有較高的控制要求，文章主要分析應(yīng)用PLC控制熱水系統(tǒng)的時(shí)間、溫度，水位等關(guān)鍵參數(shù)。

2 PLC控制系統(tǒng)的工作原理

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，不需要非常專業(yè)的知識(shí)就可進(jìn)行編程。

PLC在運(yùn)行過(guò)程中，工作的方式為順序掃描運(yùn)行，整個(gè)運(yùn)行順序?yàn)椋F(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的反饋、輸入采集—用戶程序的執(zhí)行運(yùn)算—執(zhí)行結(jié)果的輸出，以上3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(cuò)、卡死，導(dǎo)致掃描周期過(guò)長(zhǎng)。PLC內(nèi)置看門狗程序就會(huì)觸發(fā)報(bào)警，停止程序的執(zhí)行，以防帶來(lái)更大的損失。

現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)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(duì)應(yīng)的隨機(jī)存儲(chǔ)內(nèi)[1]。

用戶程序的執(zhí)行也是順序掃描，PLC程序的編制大部分用戶都會(huì)采用比較直觀易懂的梯形圖進(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(yùn)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(quán)比較高的判斷語(yǔ)句，位置要排在低優(yōu)先權(quán)語(yǔ)句的后面，避免出現(xiàn)高優(yōu)先權(quán)判定輸出，但后續(xù)低優(yōu)先權(quán)判定不輸出，然后運(yùn)算結(jié)果為沒(méi)有輸出的錯(cuò)誤，這種錯(cuò)誤在學(xué)習(xí)PLC程序的過(guò)程中是非常容易出現(xiàn)的。

當(dāng)PLC的用戶程序運(yùn)算結(jié)束后，PLC根據(jù)程序的運(yùn)算結(jié)果，通過(guò)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的輸出。

3 PLC的熱水控制系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 熱水控制程序主要控制邏輯和要求

控制程序應(yīng)完成對(duì)整個(gè)熱水系統(tǒng)設(shè)備的控制，包括運(yùn)行時(shí)間設(shè)置、熱泵啟動(dòng)、停止溫度設(shè)置、回水啟動(dòng)、停止溫度設(shè)定、水箱供水警戒水位、循環(huán)警戒水位、溢水保護(hù)水位的設(shè)定。

控制程序能根據(jù)預(yù)設(shè)的時(shí)間表（可由管理員自行修改）控制空氣源熱泵機(jī)組的啟動(dòng)和停止，供水泵、循環(huán)水泵的啟動(dòng)和停止，冷水進(jìn)水的時(shí)間段控制。

補(bǔ)水控制程序：補(bǔ)冷水閥受儲(chǔ)熱水箱內(nèi)的水位和溫度控制，當(dāng)儲(chǔ)熱水箱內(nèi)水溫達(dá)到設(shè)定的最低溫度（可調(diào)）時(shí)，補(bǔ)冷水閥啟動(dòng)，此時(shí)空氣源熱泵系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，補(bǔ)冷水閥直到儲(chǔ)熱水箱內(nèi)的溫度T1下降到設(shè)定的最低溫度停止補(bǔ)水，如此反復(fù)，直至當(dāng)前時(shí)間段所設(shè)定的水位，停止補(bǔ)水，當(dāng)水位下降時(shí)，補(bǔ)冷水閥開(kāi)啟補(bǔ)水，當(dāng)水位上升至當(dāng)前時(shí)間段所設(shè)定的水位時(shí)，補(bǔ)冷水閥關(guān)閉，如此反復(fù)，保證熱水系統(tǒng)溫度穩(wěn)定，補(bǔ)水程序中設(shè)定警戒水位，當(dāng)水箱水位低于警戒水位時(shí)停止供水、空氣源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行，并啟動(dòng)緊急補(bǔ)水。

加熱控制程序：熱泵機(jī)組將受PLC控制系統(tǒng)控制同時(shí)也受機(jī)組自身面板控制器控制，當(dāng)PLC控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可以啟動(dòng)機(jī)組面板控制器對(duì)機(jī)組進(jìn)行控制。熱泵循環(huán)受儲(chǔ)熱水箱內(nèi)溫度控制，當(dāng)水箱溫度＜設(shè)定的最低溫度（可調(diào)）時(shí)，循環(huán)泵啟動(dòng)，延時(shí)30s熱泵機(jī)組啟動(dòng)，當(dāng)水箱溫度≥設(shè)定的最高溫度（可調(diào)）時(shí)，熱泵機(jī)組停止，循環(huán)水泵延時(shí)60s停止。同時(shí)熱泵循環(huán)受所設(shè)定的循環(huán)警戒水位控制，當(dāng)水箱內(nèi)水位低于循環(huán)警戒水位時(shí)，即使水箱溫度＜設(shè)定的最低溫度時(shí)，循環(huán)水泵和熱泵機(jī)組亦不啟動(dòng)[2]。

當(dāng)熱泵處于防凍運(yùn)行等自動(dòng)運(yùn)行情況時(shí)，熱泵反饋信號(hào)至PLC控制箱，循環(huán)泵立即啟動(dòng)。

供熱水泵受PLC系統(tǒng)設(shè)定供水的時(shí)間段控制啟停，供水壓力控制，采用PLC系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集管網(wǎng)壓力，控制變頻器對(duì)水泵的運(yùn)行頻率進(jìn)行控制，保證用戶用水壓力的穩(wěn)定，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行的目的。

回水系統(tǒng)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(shè)置，在非供水時(shí)段回水電磁閥不工作的功能，以延長(zhǎng)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(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)故障時(shí)，可方便地切換手自動(dòng)控制和系統(tǒng)的緊急停止。

3.2 PLC控制器及各擴(kuò)展插件選擇

目前，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的PLC種類很多，考慮熱水系統(tǒng)規(guī)模、功能、結(jié)構(gòu)等一般選用西門子S7-200smart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(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)可以永久保存，而S7-200cpu需增加電池卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期保存。smart系列的CPU集成了一個(gè)以太網(wǎng)接口可以便捷地與觸摸屏通訊、程序下載調(diào)試、遠(yuǎn)程控制，節(jié)約了昂貴的西門子數(shù)據(jù)線和以太網(wǎng)模塊，RS485接口除CPU本身具備的以外，可方便地通過(guò)相比比較價(jià)廉的SB CM01擴(kuò)展板擴(kuò)展，smart系列的CPU通信端口最大可增至4個(gè)端口，充分滿足各種設(shè)備、變頻器及運(yùn)程控制的要求。

模擬量模塊的輸入輸出信號(hào)類型，一般選用相對(duì)通用性比較高的4～20mA或0～10V，可以與傳感器、變頻器等設(shè)備方便連接，在日后的運(yùn)行維護(hù)中方便靈活更換損壞設(shè)備。

人機(jī)交互界面（hmi）選用西門子SMART 700 7寸彩色觸摸屏，通過(guò)普通網(wǎng)線與smartCPU連接，具有反應(yīng)速度快、節(jié)省空間、堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)，己被廣泛應(yīng)用到自動(dòng)化控制設(shè)備等領(lǐng)域。

傳感器根據(jù)熱水控制系統(tǒng)的需要，有以下類型：

（1）溫度傳感器一般選用PT100鉑熱電阻傳感器，當(dāng)PT100在0℃時(shí)，其阻值為100Ω，其阻值會(huì)隨著溫度上升而近似勻速地增長(zhǎng)，通過(guò)PT100溫度變送器輸出4～20mA信號(hào)至PLC控制系統(tǒng)控制，熱水系統(tǒng)溫度傳感器的選用量程一般為0～100℃。

熱水系統(tǒng)中的溫度傳感器一般監(jiān)測(cè)采集水箱的溫度，安裝位置在水箱側(cè)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)，直觀地顯示各區(qū)域的供水溫度，空氣溫度的采集，安裝在設(shè)備區(qū)空曠處，作為熱泵機(jī)組投入數(shù)量的基準(zhǔn)參數(shù)。

（2）壓力傳感器一般選用擴(kuò)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(shù)輸出4～20mAQ或0～10V信號(hào)至PLC控制系統(tǒng)控制，液位傳感器選用量程一般為0～50kPa，采集水位高度0～5m，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。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，利用PLC控制系統(tǒng)能有效地提高熱泵熱水控制系統(tǒng)的可靠性、相應(yīng)速度，結(jié)合變頻供水系統(tǒng)，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(yīng)的質(zhì)量，可以非常方便地結(jié)合遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)減少系統(tǒng)維護(hù)的人力物力，非常適合在熱水系統(tǒng)中應(yīng)用。