制冷系统控制电路的PLC改造

1、制冷系统控制电路的PLC改造广州市轻工职业学校 杨光电本校实验室的中央空调，其制冷系统的控制电路属于继电器逻辑控制系统，这种控制系统使用了大量的交流接触器、中间继电器、时间继电器等电器元件，由于控制触点多，电控系统故障率高，检修周期长，空调使用年月久后，电气控制系统老化，继电器故障频繁，检修困难，给学校的教学带来一定的影响。如今PLC技术日臻成熟，价格不断下降而功能却不断加强，因此我们可以利用PLC对继电器逻辑控制系统进行改造，以提高中央空调的使用率。一、制冷系统控制电路功能分析如图1所示，这是一个螺杆式冷水机组用冷水泵、冷却水泵和冷却塔风机的控制电路，其工作原理如下：（1）启动。由于本例冷却

2、水泵电动机功率较大，采用抽头式自耦变压器T1，利用其55%档降压启动。按下冷却水泵启动按钮SBT1，交流接触器KM13线圈得电，与SBT1并联的常开辅助触点闭合自锁，另一常开辅助触点闭合，使交流接触器KM12线圈及时间继电器KT1线圈得电；主电路中KM13与KM12的主触点闭合，冷却水泵经T1降压启动，此时，冷却水泵启动指示灯HL12亮，而HL13灭。 （2）正常运转。从按下启动按钮SBT1起延时810秒后，时间继电器KT1常开触点闭合。中间继电器KA1线圈得电并自锁，其常开触点闭合，常闭触点断开令KM13线圈失电，运行接触器KM11线圈得电。KM13线圈失电，KM13常开触点断开使使KM12

3、线圈和KT1线圈失电。至此，主电路中启动接触器，KM13 、KM12触点断开，运行接触器KM11常开触点闭合，使冷却水泵电动机获得全压而正常运转。此时冷却水泵正常运转指示灯HL11亮，而HL13和HL12熄灭。（3）与冷水机组压缩电动机联锁控制。接触器KM11得电，冷却水泵转入运行的同时，与冷水机组压缩电动机作联锁控制的继电器KA40线圈得电，则与控制冷水机组启动的中间继电器KA3线圈串接的KA40常开触点闭合，冷水机组压缩电动机才有可能启动。（4）停机。按下冷却水泵停止按钮SBP1，冷却水泵控制回路便断电，接触器KM11、KM12、KM13线圈全部失电，冷却水泵电动机断电停机。（5）过载保护

4、。热继电器FR1起过载保护作用。冷水泵控制回路与冷水机组本身联锁，冷水泵启动，转入运行控制回路原理与前述基本相同，冷却塔风机电功率小于5KW,故利用启动按钮SBT3通过接触器KM3直接启动。二、控制系统的硬件设计1、PLC的机型选择和I/O分配根据控制系统的特点我们把5个按钮开关SBP1、SBT1、SBP2、SBT2、SBP3分别输入到PLC的X0-X4端口，热继电器FR1,FR2分别输入到X5，X6端口，一共用了7个输入端口。KM11、KM12、KM13、KM21、KM22、KM23、KM3共七个交流接触器的线圈分别和PLC的Y0-Y6端口相连接，指示灯HL11，HL12，HL13，HL21

5、，HL22，HL23，HL31分别和PLC的Y7-YD端口相连接。在如图所示的旧电气系统控制线路图本来还有中间继电器和时间继电器等元器件，在I/O分配中却不必对它们进行分配，它们将作为PLC的内部继电器，其功能可由软件加以解决，这也是PLC控制的优势所在。由表1可见，本次设计总共需要用到5个输入端，15个输出端，因此可以选用松下电器公司生产的FP1-C40型号的主控单元（I/O=24/16），其I/O口比设计要求要多，可以供系统增加功能时使用；控制水泵的交流接触器线圈通过的电流较大，FP1型PLC主机属于继电器输出型,有触点输出方式，适用于低速、大功率的负载，可以满足控制系统交流接触器线圈对电

6、流的要求。FP1型PLC的扫描速度为1.6s/步，这样的扫描速度不算很快，但是考虑到本控制系统的主要控制对象是交流接触器，属于机械动作型的元器件，对控制时间的要求不是很严格，较慢的扫描速度不但不会对控制系统产生影响，反而会提高系统的抗干扰能力,本次PLC改造的电气线路不是很复杂，PLC主机的容量也完全可以满足要求。FP1型PLC主机不但可以通过适配器和计算机进行通讯，还可以通过手编程器对其进行操作，方便技术人员随时对中央空调的电气系统进行维护，FP1系列的PLC其I/O端子板采用可拆卸的结构，可将整个端子板拆下，这主要方便于更换PLC控制单元时，只要拆换端子板，而不必将接到端子板上的所有电线都

7、重新接一遍，非常方便技术人员对电气控制系统的维护，综上所述，本次螺杆式冷水机组用冷水泵、冷却水泵和冷却塔风机控制电路的改造决定采用FP1型PLC主机。表一 控制电路PLC的I/O分配表输 入输 出X0按钮开关SBP1Y0交流接触器KM11Y8指示灯HL11X1按钮开关SBT1Y1交流接触器KM12Y9指示灯HL12X2按钮开关SBP2Y2交流接触器KM13YA指示灯HL13X3按钮开关SBT2Y3交流接触器KM21YB指示灯HL21X4按钮开关SBP3Y4交流接触器KM22YC指示灯HL22X5按钮开关SBT3Y5交流接触器KM23YD指示灯HL23Y6交流接触器KM3YE指示灯HL31YF指

8、示灯HL32输出端子COMFP1交流接触器线圈RC浪涌吸收器Y由于我们的输出端接的负载有交流380V的交流接触器线圈，在PLC主机输出端子开关接通或断开时，电感负载L上产生感应电势，会引起开关处产生火花或电弧，降低开关接点的使用寿命，所以必须采取措施，考虑接入相应的保护电路，加以保护。可以在感性负载两端（即交流接触器线圈两端）并联一个RC吸收电路（经过实践，电阻和电容的经验数据是: R: 51120，功率12W; C: 0.10.47F，电容耐压大于400V）以吸收浪涌电流，如图24所示。要注意避免RC与L的并联电路中可能产生的谐振现象，以免损坏PLC或有关设备。图2 交流感性负载保护电路2、

9、PLC控制系统外部电路设计此次的电气系统改造只改造螺杆式冷水机组用冷水泵、冷却水泵及冷却塔风机控制电路，主电路保持不变。硬件部分的设计、配置包括外部电路的设计、绘制电气控制系统的总装配图和总接线图、设计组件的装配图和接线图，并在此基础上设计与制作电气控制柜并进行PLC的安装与配线。此次的电气系统改造，并不需要调整按钮开关的位置，可以达到原先的操作者和原先一样操作的感觉，察觉不到内部的电气控制系统实际已由PLC控制，所以我们的硬件部分设计关键要解决PLC的安装及内部接线等问题。PLC的外围电路包括I/O接口电路、电源电路和接地电路、电动机的主电路和一些不进入PLC的控制、保护电路等。不进入PLC

10、的控制、保护电路包括为了提高控制可靠性的原继电器接触器控制系统的一些短路、过载等保护环节。在采用PLC控制后，原继电器接触器电路的大部分连锁环节都已编入PLC的程序之中，但从保证系统工作可靠的角度考虑，在外围电路还应保持一些必要的环节。互锁触点除设计入PLC的程序中之外，还应该保留在外围电路中，防止PLC输出电路发生故障时，可能使输出端同时出现“ON”，而导致电动机发生事故。在设计的时候，还可保留电动机过载保护的热继电器FR的常闭触点，这样做的目的是将可能发生的故障限制在最小范围内，提高系统工作的可靠性。为了保护PLC，我们也应在电源电路上安装适当的保险丝。由此可见，我们在设计PLC控制线路的

11、时候，没有必要把所有的外部条件都全部纳入PLC之中，特别是一些重要的保护环节，仍可保留在与PLC无关的外围电路中，当发生事故的时候，可以及时切断PLC主机的电源，确保电动机停下来，保护操作者的人身安全。按照上面的分析，设计出如图3所示的螺杆式冷水机组用冷水泵、冷却水泵及冷却塔风机PLC控制电路图。三、控制系统的软件设计在进行硬件设计的同时，可同步进行程序设计工作。程序设计的主要任务是根据控制要求，把继电器逻辑控制线路图转换成相对应的梯形图，我们应该采用正确的方法，合理地利用PLC指令的功能，最大限度地发挥PLC控制的优越性。PLC所使用的梯形图沿用了继电器逻辑控制电路的结构，元件符号也大致相近

12、，但是，由于，由于PLC的结构、工作原理与继电器逻辑控制系统有很大不同，梯形图和继电器控制线路图有着本质的区别。在进行程序设计时，我们特别要注意将所用到的“软继电器”，列表标明其用途，作为系统设计的资料之一，便于以后进行程序调试、系统运行维护、检修时查阅。我们在编程时可以采用模块化设计的方法，把如图所示的电气原理图设计成三大模块，分别是冷却水泵的控制，冷水泵的控制和冷却塔风机的控制，根据控制要求把电气控制的逻辑电路转换为梯形图，一个模块一个模块的编写，每一个模块调试成功后，都有自己独立的功11COMX0X1X2X3X4X5X6X7COMX8X9XAXBXCXDXEXF24V(+ )24V(-

13、)SBP1SBT1SBP2SBT2SBP3SBT3Y0FGACACCOM16.3VKM11COM2FP1-C40 PLC主机380VAC 220VKM12KM13KM21KM22KM23KM3Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7×HL11×HL12Y8Y9×HL13YA×HL21YB×HL22YC×HL23YD×YE×HL31YFHL32FU1FU2FU3FR1FR2FU4FU0图3 螺杆式冷水机组用冷水泵、冷却水泵及冷却塔风机PLC控制电路图。能，按照相应的规则组装在一起，再集中联机总调试。这样做的好处是使每一个模块都成

14、为功能单一、结构清晰、容易理解的小程序，使梯形图程序设计的质量和效率得到提高。在电气控制原理图中，中间继电器和交流接触器得电后，其常闭触头先断开然后常开触头才接通，但在PLC的电气控制线路中，软继电器没有这一特性，它们没有时间差，是同时动作的，从而造成电路存在工作不可靠甚至产生误动作的隐患，因此我们在编程的时候可以另外加多一个短延时定时器（PLC主机内部的定时器）来解决时间差的问题，使电路更加稳定的工作。至此，螺杆式冷水机组用冷水泵、冷却水泵及冷却塔风机控制电路的PLC改造软件部分全部完成，经过调试验证的梯形图和助记符见附录1和附录2。四、控制系统的调试将梯形图通过适配器从计算机输入到PLC主

15、机中，并将梯形图和指令表打印出来，进行检查比较。我们还应把PLC主机I/O端口所对应的开关和本次编程中所使用到的内部继电器和定时器列表，标明其用途，打印出来，作为系统的设计资料之一，便于以后进行程序调试，系统运行时维护，检修时查阅。1、输入点的调试合上可编程控制器的供电电源（220V），把PLC主机的工作方式选择开关拨到“PROG”挡。用手动的方法，使输入的各开关（按钮和限位开关）动作，作为模拟量输入信号，观察可编程控制器的相应输入指示灯（LED）是否点亮，若不亮，检查接线是否正确。2、输出点调试使用可编程控制器的强迫输出功能进行检查，检查Y0Y8每一个输出指示灯（LED）是否正常。然后把T6

16、8镗床程序输入到PLC主机里，把PLC主机的工作方式选择开关拨到“RUN”挡。按其工艺流程，按下相应的按钮开关，观察PLC主机的输出指示灯指示是否正常。（此时暂时不要接入交流接触器）3、PLC主机带负载调试在输出点接入交流接触器，暂不要接入电动机，按工艺流程按下相应的按钮开关，观察相应的交流接触器动作是否正常，如果交流接触器不动作，检查接线是否正确。表二 软继电器一览表名称功能名称功能R1代表KA1TM2代表KT2R2代表KA2TM3KM13常开触头的延时R3代表KA40TM4KM14常开触头的延时R4代表KA50TM5KM15常开触头的延时R5代表KA60TM6KM16常开触头的延时TM1代

17、表KT14、联机统调在软件设计、硬件设计、装配、初调工作基本完成后，即可进行联机调试。在调试之前，还需要对PLC控制系统进行一次全面的检查，检查的主要内容和步骤见表三。经过检查，在确认各方面都正常的情况下，可接通电源，将PLC主机的工作方式开关置于“RUN”挡，进行试运行，按照程序设计流程图逐步调试。我们特别要注意电动机的正转方向和原来图纸所标的正转方向是否相同，如果不同，要把三相线路的其中两条调转。对一些待定的参数（如各个定时器的预置值），应在现场进行整定，使其满足控制系统的设计要求。对调试中出现的问题，要对症查找原因。硬件方面的问题，则改变配置，排除线路故障；软件方面的问题，则修改程序。试

18、运行的时间应足够长，尽可能让各种异常情况充分暴露，以得到解决，最后达到整个系统准确可靠地工作为止。五、控制系统的抗干扰措施可编程序控制器（PLC）本身的可靠性很高，PLC制造厂采取了许多抗干扰措施，但是外来干扰仍会通过电源线和传输线影响PLC的工作。因此在现场施工中，我们必须考虑以下几个问题：1、PLC的配电问题（1）供给PLC的交流电源要加接隔离变压器。变压器的原边和副边之间要有接地屏蔽层，最好采用三层屏蔽的方式。单层静电屏蔽的隔离变压器，副边与屏表三 PLC系统检查项目表检查项目 检查内容 外观检查1、检查控制柜各电器安装的质量 2、检查接线端、插件板有无松动 3、 检查接地线是否符合要求

19、 输入、输出配线1、检查输入端接线，可用输入端指示或I/O监视功能检查 2、检查输出端接线，可用强制ON/OFF功能进行检查（检查前应关闭动力电源，以免电动机启动，并确保不会造成设备损坏）连接电缆检查各单元之间的连接电缆是否连接正确并锁紧程序输入检查经过初调的程序是否已输入PLC主机中蔽层有寄生电容存在，未能解决工频干扰的影响。双层静电屏蔽的隔离变压器，能够抑制工频干扰。三层静电屏蔽的隔离变压器还能抑制共模干扰，必要时还要增加电源滤波装置。（2）电源电压波动影响。一般PLC允许电源电压波动是15-15，若超过这个值，应由检测元件检出该波动信号，使PLC系统停止运行。（3）电源线的横截面积足够大，以避免产生过大的电压降。2、控制过程中干扰的来源及对策中央空调电气控制系统的PLC输入设备主要是按钮开关PLC的输出设备主要有接触器线圈，压缩机的启动和停机将会把大量的干扰信号带入PLC主机内。抗干扰的主要措施有：输入信号电缆、输出信号电缆和电力电缆都要分开敷设，不能扎在一起。必要时需选用带有屏蔽层的输入信号电缆和输出信号电缆，并且注意一端接地。多心电缆中的备用心线也要一端接地，一则扩大屏蔽作用，二则抑