中央空调实验台控制系统中的PLC改造

1.中央空调实验台的系统组成。从图1 可以看出，中央空调实验台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。 


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