可編程邏輯控制器在熱水工程中的應(yīng)用
摘要：分析了熱水工程中使用可編程邏輯控制器的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)熱水系統(tǒng)的自動(dòng)控制，提高了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，探討了使用modbus（工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總線協(xié)議）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的方案。
關(guān)鍵詞：熱水工程；工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總線協(xié)議；可編程邏輯控制器；人機(jī)界面
隨著我國(guó)社會(huì)的快速發(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、集中性特點(diǎn)，而且對(duì)水溫有較高的控制要求，本文主要分析應(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)。
1、PLC控制系統(tǒng)的原理與特點(diǎn)
PLC控制系統(tǒng)又稱可編程邏輯控制器，本質(zhì)上是一個(gè)內(nèi)置操作運(yùn)行系統(tǒng)的單片計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的反饋、輸入，通過內(nèi)置光偶隔離，以提高系統(tǒng)的可靠性，輸出部分一般采用繼電器或晶體管輸出，繼電器具有帶載能力強(qiáng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但響應(yīng)速度慢，在要求脈沖輸出的場(chǎng)合一般采用晶體管輸出，PLC的操作系統(tǒng)固化在內(nèi)置ROM中，負(fù)責(zé)PLC的硬件的設(shè)置及底層控制，并對(duì)寫入在EEPROM中的用戶程序進(jìn)行讀取和運(yùn)行工作,電源一般由內(nèi)置開關(guān)電源或外部開關(guān)電源提供24v直流電壓，由PLC內(nèi)置電源模塊變壓后使用、在可靠性要求比較高的系統(tǒng)中，建議使用外置電源供電，一個(gè)成熟PLC系統(tǒng)還有相應(yīng)的保護(hù)電路及自診斷電路，PLC的控制是由用戶程序控制執(zhí)行的，與繼電器邏輯控制相比，線路簡(jiǎn)單，可靠性高，運(yùn)行速度快，具有應(yīng)用靈活方便、操作維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，成為取代繼電器邏輯控制線路的主要方案。
1.1工作原理
PLC的編程多采用繼電器控制梯形圖及命令語句，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，以上三個(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)。
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)比較高的判斷語句，位置要排在低優(yōu)先權(quán)語句的后面，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)果為沒有輸出的錯(cuò)誤，這種錯(cuò)誤在學(xué)習(xí)PLC程序的過程中是非常容易出現(xiàn)的，當(dāng)程序比較大的時(shí)候也是不容易排查的一種錯(cuò)誤。
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，通過輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的輸出。
1.2設(shè)備選型
PLC的選型從PLC 的型號(hào)、運(yùn)算速度、存儲(chǔ)器容量、輸入輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)、電源帶載能力、功能需求、通信能力等多方面加以考慮。PLC機(jī)型選型的基本原則是，滿足速度要求、滿足功能、可靠維護(hù)方便、合理的安裝結(jié)構(gòu),機(jī)型盡量統(tǒng)一等。
I/O點(diǎn)數(shù)選型時(shí)應(yīng)考慮一定的余量，統(tǒng)計(jì)所需的數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出的點(diǎn)數(shù)，通常預(yù)留10%～20%的余量,各預(yù)留至少1～2個(gè)點(diǎn)數(shù)，由于熱水控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間要求并不嚴(yán)格，數(shù)字量的輸出可采用繼電器結(jié)構(gòu)，以降低成本，提高可靠性，模擬量輸入輸出模塊可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)傳感器、變頻器要求，輸入輸出類型選用相對(duì)通用性比較高的4～20mA或0～10v信號(hào)。
2、PLC的熱水控制系統(tǒng)應(yīng)用
2.1 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、熱泵啟停、集熱泵啟停、熱水加壓泵啟停、停止溫度設(shè)定、回水溫度設(shè)定、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，集熱泵、熱水加壓泵的啟動(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)定的最高溫度（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)，直至達(dá)到當(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)關(guān)閉，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)，集熱泵啟動(dòng)，延時(shí)30秒熱泵機(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，集熱泵延時(shí)60秒停止。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)，集熱泵和熱泵機(jī)組亦不啟動(dòng)。
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，集熱泵立即啟動(dòng)。
熱水加壓泵受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)，可方便的切換手自動(dòng)控制和系統(tǒng)的緊急停止。
2.2 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S7-200 smart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)接口可以便捷的與觸摸屏通訊、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，可方便的通過相對(duì)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，通過普通網(wǎng)線與smart CPU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，有以下幾種類型：
1. 溫度傳感器一般選用PT100鉑熱電阻傳感器，當(dāng)PT100在0攝氏度的時(shí)候他的阻值為100歐姆，它的阻值會(huì)隨著溫度上升而成近似勻速的增長(zhǎng)，通過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)和直觀的顯示各區(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4～20mA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0～5米，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PLC控制供水水泵的工作壓力。
2.3 熱水系統(tǒng)PLC程序編程要點(diǎn)
在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)前，需明確各個(gè)設(shè)備的控制點(diǎn)位、數(shù)量，傳感器的點(diǎn)位、要求，各個(gè)輸入輸出口所定義的設(shè)備對(duì)象、明確各個(gè)設(shè)備的工作順序，熱水系統(tǒng)控制需注意以下幾點(diǎn)；
1、熱泵啟動(dòng)前需先開啟集熱泵，集熱泵開啟后10～30秒才允許開啟熱泵主機(jī)，熱泵主機(jī)關(guān)閉后才允許關(guān)閉集熱泵，集熱泵控制程序需與熱泵控制程序做到軟硬件的聯(lián)動(dòng)。
2、PLC程序的編制過程中，盡量將各個(gè)功能編制成獨(dú)立的子程序功能模塊，功能模塊在主程序和子程序中調(diào)用，如編制模擬量信號(hào)運(yùn)算程序模塊，進(jìn)行模擬量信號(hào)的運(yùn)算和轉(zhuǎn)換，在模擬量信號(hào)采集子程序中可反復(fù)調(diào)用此功能模塊，對(duì)各個(gè)端口采集的模擬量信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算轉(zhuǎn)換，使PLC程序更加精簡(jiǎn)和易懂，方便后期調(diào)試。
3、熱水系統(tǒng)PLC程序中一般需內(nèi)置簡(jiǎn)單的故障判斷邏輯，如水箱溫度和供水溫度、回水溫度值的比較判定，各個(gè)傳感器是否超限的判定，如出現(xiàn)問題需及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
4、熱水系統(tǒng)PLC程序的編制中需充分考慮modbus遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控的可靠性，在各個(gè)參數(shù)和反饋值內(nèi)部寄存器地址分配的時(shí)候，盡量做到連續(xù)，如遠(yuǎn)程程序不考慮控制也可編制獨(dú)立的modbus從站賦值程序，將不連續(xù)的寄存器地址賦值給連續(xù)的modbus地址。
5、PLC熱水控制程序中還要具有根據(jù)各設(shè)備工作時(shí)間、故障反饋，自動(dòng)切換主、副系統(tǒng)的功能。
3、展望
利用PLC控制系統(tǒng)能有效的提高熱泵熱水控制系統(tǒng)的可靠性、響應(yīng)速度，結(jié)合變頻供水系統(tǒng)，在供熱水的過程中，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，可以非常方便的結(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。
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