制冷試驗裝置控制中的PLC競爭險象問題

曹義新，高啟明，郝穎磊

（1.合肥通用機械研究院，安徽合肥 230031；2.合肥通用環境控制技術有限責任公司，安徽合肥 230088）

0 引言

PLC程序控制方式在制冷試驗裝置電氣設計中已廣泛采用，PLC程序控制方式可以將傳統的硬件電路軟件化，將軟件的諸多優點拿來即用，解決部分傳統電氣控制電路中很難解決、甚至無法解決的問題。但軟件化具有兩面性，PLC的競爭險象問題在制冷試驗裝置電氣控制中產生了很多問題和安全隱患。解決PLC競爭險象問題必須結合PLC硬件特性對其控制程序從邏輯控制和安全考量的角度進行分析，從制冷試驗裝置控制中的共性和特性兩方面著手研究解決。

1 PLC競爭險象問題

1.1 PLC競爭險象的產生

PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）在掃描時把輸入輸出的狀態先存入I/O狀態表,執行完程序后進入輸出刷新階段，控制信號從I/O狀態表輸出到執行元件。這種順序性的掃描方式不可避免地產生了競爭（即由于延遲時間的影響，使得輸入信號經過不同路徑到達輸出端的時間有先有后），從而造成險象（即由競爭導致的錯誤輸出信號）。

1.2 PLC競爭險象的判斷方法

（1）邏輯代數法。如果組合邏輯電路輸出端的2個輸入信號和是輸入變量經過2個不同的傳輸路徑而來，那么輸出端必然存在競爭險現。

（2）卡諾圖法。在組合邏輯電路輸入變量為多個的情況下，可利用卡諾圖法來判斷當2個以上的變量同時改變狀態時，電路是否存在競爭險象。

（3）邏輯模擬法。通過在計算機上運行模擬程序，能判斷出組合邏輯電路是否會出現競爭險現。

（4）實驗觀察法。將組合邏輯電路輸入端信號的所有變化都輸入到示波器，觀察輸出端是否存在競爭險象。

上述方法在實際中需要結合起來靈活運用。

2 制冷試驗裝置的電氣控制

制冷試驗裝置從屬于流體機械，分為動力部分、工質循環部分、電氣部分和數據采集及測控軟件部分。典型的制冷試驗裝置原理見圖1。

常見的制冷試驗裝置的電氣控制可以劃分為動力控制、執行部件邏輯控制、報警連鎖控制和特殊控制四種控制類型。報警連鎖控制和特殊控制一般不牽涉到競爭險象問題，著重分析動力控制和執行部件邏輯控制。

3 PLC競爭險象問題在制冷試驗裝置電氣控制中的分析及解決

3.1 共性問題的分析及解決

制冷試驗裝置電氣控制中共性問題主要是動力控制問題，其核心是電機控制問題。這一部分涉及到安全問題。

3.1.1 共性問題分析

類型一：三相異步電動機正反轉,實現電路中有互鎖控制的要求。三相異步電動機正反轉控制電路見圖2，若直接梯形圖成PLC程序，控制中會出現競爭險象，即造成主電路瞬間短路。

圖1 空調焓差法制冷試驗裝置原理示意

圖2 三相異步電機正反轉控制電路

類型二：三相異步電動機“Y-△”降壓啟動過程問題。三相異步電動機“Y-△”降壓啟動PLC控制中會出現競爭險象，即造成電機過熱,甚至短路燒毀。原因是KM2，KM3之間的切換宜在KM1失電狀態下進行,且二者要有時間差，控制電路見圖3。

圖3“Y-△”降壓啟動電路、I/O接線圖及改進后梯形圖

3.1.2 共性問題的解決

類型一中為了克服競爭險象問題，增加T450，T451兩個計時器（圖4），如不采用這2個計時器，則Q430，Q431的切換是在PLC的一個掃描周期內完成,有互鎖要求的兩繼電器的通電與斷電將使主線路產生瞬時短路。

圖4 PLC的I/O接線圖及改進后的梯形圖

類型二中為了克服競爭險象問題，在圖4改進后梯形圖中增加兩計數器T450和T451，計時器T450的延時時間整定為“Y”啟動達到穩定速度所需要的時間,計時器T451的延時時間為KM2，KM3之間的切換時間差，這樣就保證了“Y-△”的切換是在電機“無電”的狀態下進行，且這2個動作有時間差,避免了KM2在電機帶電情況下斷電拉弧,時間繼電器T450，T451為PLC內部的軟繼電器,不存在觸點、線圈失效故障,提高了系統的可靠性。

PLC競爭險象在制冷試驗裝置電氣控制中共性的電機控制問題主要是上述兩大類。其他共性問題如電加熱控制問題，及PLC電機控制中的其他問題正在探索研究中。

3.2 特性問題的分析解決

特性問題在制冷試驗裝置電氣控制中主要是指執行部件邏輯控制類型出現的PLC競爭險象問題，可能會出現執行部件邏輯混亂，甚至導致無法正常工作。下面分別在水循環控制系統、制冷劑循環控制系統和空氣循環控制系統這三大制冷試驗裝置能量交換應用領域中舉例說明。

3.2.1 水泵開啟—靶流開關PLC控制競爭險象問題

冷水機組水泵10.02開啟，如果沒有定時器TIM059，靶流開關5.04存在競爭，一旦PLC誤判水管路斷流，就會強制計數器CNT145不工作或停止工作，從而有可能出現的險象為：點擊冷水機組水泵開啟按鈕，水泵沒開啟或開啟后即停水泵，從而整個水管路循環不能正常工作。這里增加一個定時器TIM059，即避免了競爭險象問題，也給水流沖開靶流開關一個機械緩沖時間，從而保證設備正常運行，改進后的梯形圖見圖5。

3.2.2 制冷壓縮機開啟—制冷劑壓力開關PLC控制競爭險象問題

制冷壓縮機開啟的同時，PLC開啟蒸發器前的電磁閥，使制冷劑高低壓側流通。如果電磁閥瞬時開啟較慢，壓縮機也會瞬時高壓側排氣壓力過高或低壓側吸氣壓力過低，都會觸動壓力開關，從而存在競爭，一旦PLC誤判電磁閥失靈，就會強制壓縮機不工作或停止工作，從而有可能出現的險象為：點擊壓縮機開啟按鈕，壓縮機沒開啟或開啟后即停；另外制冷壓縮機兩次開啟之間有保護時間間隔，從而使問題更加復雜化。這里在壓縮機開啟后增加一個定時器，即避免了競爭險象問題，也給制冷劑相間平衡提供了條件，從而保證壓縮機正常運行。

3.2.3 空氣處理機循環風機開啟—微壓差開關PLC控制競爭險象問題

測試間需要開啟空氣處理機循環風機來保證密閉空間的溫濕度場的均勻。循環風機開啟，空氣處理機出風口瞬時出現壓差，從0到正壓，這樣微壓差開關（一般設定30 Pa，可調）存在競爭，一旦PLC誤判壓差過小，就會強制循環風機不工作或停止工作，從而有可能出現的險象為：點擊循環風機開啟按鈕，循環風機不開機、開啟后即停或風機運行一段時間后風機電機因風壓壓頭過小而熱過載停機，從而使空氣處理機不能正常工作。這里在循環風機開啟后增加一個定時器即可避免上述競爭險象問題。

制冷試驗裝置電氣控制中的特性問題比較多，發現也較為困難，但在一定條件下出現的競爭險象問題干擾試驗裝置的正常工作，需要花費大量的時間發現分析解決這些特性問題，在實際工作中不斷總結完善。

圖5 改進后的水泵開啟-靶流開關控制PLC梯形圖

4 典型案例及應用統計

國內某大型中央空調公司近10年已建造了3個制冷試驗裝置，涉及到空氣焓差、冷熱水機組、制冷壓縮機及兩器等多種單項和綜合試驗類型，年檢測各類制冷設備和部件幾萬臺。但由于試驗裝置設計時沒有考慮到PLC競爭險象問題，導致試驗過程中出現各種故障，甚至出現幾次電機燒毀，更換接觸器、電流保護器或電機本身的安全事故，平均每臺試驗裝置的無故障運行時間僅50 h，有些長周期的空調性能試驗無法實施，每年帶來三百多萬元人民幣的經濟損失。

圖6 某大型中央空調公司綜合制冷試驗裝置

經過對試驗裝置的故障問題和安全隱患進行排查，約80%和PLC競爭險象問題有關。解決方案從軟件工程學考量入手，改進完善PLC程序，結合共性和特性2個方面的問題進行全面分析解決。從近兩年該企業試驗裝置的實際運轉情況來看，平均每臺試驗裝置的無故障運行時間已達500 h，沒有發生過電機燒毀等安全事故，可以做包括長周期性能試驗在內的所有試驗，大大提高了試驗裝置的利用率，使每年的經濟損失降到百萬元人民幣以下，圖6為其中一個綜合試驗裝置。

通過對國內制冷行業試驗裝置電氣控制中PLC競爭險象問題的完善和解決的程度，相關統計數據見表1，直接和間接的經濟效益達到三千萬元人民幣左右。

5 結語

PLC競爭險象問題由來已久，已有的解決方案是在軟件工程學的基礎上，從共性和特性2方面盡量避免制冷試驗裝置電氣設計和應用中的PLC競爭險象問題。今后PLC競爭險象問題的深入研究可以結合軟件安全評估理論，持續改善制冷試驗裝置電氣設計和控制中的PLC應用水平，給國內制冷行業帶來更大的經濟利益。

表1 國內制冷試驗裝置PLC競爭險象問題改進表