制冷系统控制电路的PLC改造

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8~10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。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，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流的要求。FP1型PLC的扫描速度为μs/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

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: 51～120Ω，功率1～2W; C: ～μF ，电容耐压大于400V ）以吸收浪涌电流，如图2－4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、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

FP1浪涌吸收器

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，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