6ES7368-3BB01-0AA0千万库存

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水源热泵空调系统是一种利用自然水源作为冷热源的空调系统，其技术是水源热泵技术。所谓水源热泵技术，是利用地球表面浅层水源所吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。将HOLLiAS-LECG3小型一体化PLC应用于水源热泵空调控制系统，给出了PLC的I/O点分配表，介绍了控制系统组成和软件设计思路，提出了一种随机启停的压缩机控制方法。


1　引　言

水源热泵空调系统是一种利用自然水源作为冷热源的空调系统，其技术是水源热泵技术。所谓水源热泵技术，是利用地球表面浅层水源所吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。河水、湖水、地下水等地球表面浅层水源吸收了太阳辐射的能量，水源的温度十分稳定。在夏季，水源热泵空调系统将物中的热量转移到水源中，由于水源温度低，所以可以地带走热量。在冬季，水源热泵空调系统从水源中提取能量，根据热泵原理，通过空气或水作为载冷剂提升温度后送到建筑物中。通常，水源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。由于水源热泵空调系统具有、节能和环保等优点，近年来得到了越来越多的应用。

空调系统的控制主要分为继电器控制系统、直接数字式控制器（DDC）系统和可编程序控制器（PLC）系统等级几种。由于故障率高、系统复杂、功耗高等明显的缺点，继电器控制系统已逐渐被淘汰。DDC控制系统虽然在智能化方面有了很大的发展，但由于其本身抗干扰能力差、不易联网、信息集成度不高和分级分步式结构的局限性，从而限制了其应用。相反，PLC控制系统以其运行、使用维护方便、抗干扰能力强、适合新型高速网络结构等显著的优点，在智能建筑中得到了广泛的应用。为了提高空调系统的经济性、性和可维护性，目前空调系统都倾向于采用、实用、的PLC来进行控制。

本文介绍和利时公司HOLLiAS-LECG3小型一体化PLC在水源热泵空调控制系统中的成功应用，说明了HOLLiAS-LECG3小型一体化PLC可以很好地实现空调智能化控制，达到减少无效能耗、提高能源利用效率和保护空调设备的目的。


2　空调系统介绍

北京市某单位的办公楼采用水源热泵空调系统，总建筑面积8550m2，建筑高度20.5m，其中空调面积约6840m2。地下1层为各种设备房和操作间，地上1层为职工食堂、大厅和会议室，地上2～6层为商业办公用房。

室内温度和相对湿度等技术参数的设计要求如表1所示。水源热泵空调系统的设计制冷量为860kW，制热量为950kW。空调的主机系统由四台压缩机组成，水源水系统由取水井、渗水井和水处理设备组成。


3　控制系统硬件设计

该水源热泵空调系统主要是根据蒸发器和冷凝器进出水温度的变化来控制4台压缩机的启停，使水温稳定在设定的范围内。4台压缩机分成A和B两组，每组各有2台压缩机。系统的I/O点分配如表2所示，其中开关量输入点6个，模拟量输入点4个，开关量输出点5个，模拟量输出点1个。

根据输入和输出的要求，该水源热泵空调系统的控制器选用和利时公司具有自主知识产权的HOLLiAS-LECG3小型一体化PLC。考虑到此系统需要一定的备用I/O点，CPU模块选择带有24点开关量的LM3107，其中开关量输入14点，开关量输出10点。模拟量输入模块选用四通道热电阻输入模块LM3312，模拟量输出模块选用两通道模拟量输出模块LM3320。PLCC的人机界面选用EView触摸屏。


4　控制系统软件设计

控制系统的主要功能是对热泵进行自动启停，显示温度、压力、流量等运行参数，显示压缩机的工作状态，记录设备的运行时间和故障原因，实现对水源热泵空调系统的智能控制。从控制系统的主要功能出发，为了增加程序可读性和减少程序代码，PLC程序采用了主程序调用功能块、功能块调用函数的程序结构。PLC程序由1个主程序、11个功能块子程序和1个函数组成。程序编译码占用空间为30K。

程序设计的思路是，当PLC上电后，一直进行温度、压力、流量等运行参数的检测，这些检测主要在检测程序、故障程序和A/B组故障停机程序中完成。如果相关参数均无异常，则开机功能块子程序运行，启动压缩机。在开机过程中，同时进行温度判断。如果温度达到了设定值，则进入调节功能块子程序，停止开机功能块子程序，完成开机。根据温度的变化，调节功能块子程序控制压缩机的启停。变频器的控制则是通过调用加载程序和降载程序来实现。

在这些程序中，为了满足压缩机的使用要求，调节功能块子程序是繁琐的，例如压缩机的启动时间要小于30秒、压缩机每小时的启动次数不要过5次等。为了平衡压缩机的运行时间，增加空调的使用寿命，传统的程序设计采用先启先停、先停先启、开机过程中启动次序轮换等控制方法，来协调压缩机的运行时间。但是，如果本系统采用这种方法，则仍然存在某一台压缩机运行时间过长的问题。因此决定对传统方法进行改进，采用随机启停的控制方法代替先启先停、先停先启的控制方法，解决了压缩机的运行时间不平衡的问题。

人机界面选用EView触摸屏，页如图3所示。输入密码后，点击功能菜单，在弹出的快捷窗口中，可以选择参数查询、运行时间、故障查询、运行状态、参数设定、调节显示、操作界面等子菜单，进行相关的操作和显示。


5　结论

采用传统的继电器控制系统来实现热泵的控制，由于机械接触点很多，接线复杂，参数调整不方便，而且机械接触点的工作频率低，容易损坏，性差。采用直接数字式控制器（DDC）虽然可以减少接线，性有所提高，但由于DDC其本身的抗干扰能力差、不易联网、信息集成度不高和分级分步式结构的局限性，因此，越来越不能满足复杂多变的智能控制要求。

采用PLC来控制热泵系统，不仅可以通过编程实现复杂的逻辑控制，而且可以在很大程度上简化硬件接线，提高控制系统性，用户操作界面友好，信息集程度高，便于实现智能控制。因此，在热泵空调领域，PLC控制系统取代DDC控制系统是必然趋势。

在应用PLC高速计数器时往往会碰到，计数器与输入计数脉冲信号的脉冲电平不匹配、旋转编码器、光栅尺数据输出是TTL电平，而PLC高速计数器却要求接受的是0 - 24v传输脉冲信号、有的编码器为了提高编码器的性，提供A+、A-，B+、B-，Z+、Z- 对称反相计数脉冲或者提供A+、A-，B+、B-，Z+、Z- 对称反向的正弦矢量信号，但PLC高速计数器接收的计数脉冲是单相脉冲。使用者没有选用合适的接口而放弃了其中一相（是为提高系统抗干扰能力而提供的双相计数脉冲）进行计数。

又如在应用旋转编码器、光栅尺的场合非单方向匀速运动，其运动速度是时快时慢、时动时静止、时正时反的不确定性、或者在运动速度非常低的场合，如果接口没有匹配处理好是非常容易发生计数误差的、还有脉冲距离稍长些，脉冲传输过程中会产生脉冲波形奇变。

有许多应用场合虽然计数脉冲频率不高，而忽略了PLC高速脉冲计数器对计数脉冲的沿口是有速率要求（脉冲形成的上升、下降沿口响应速度要陡峭），尤其是在应用线数比较高的编码器在低速运行时，由于机械运动必然产生细微斗动或者编码器前级安有变速齿轮，就很容易会引起编码脉冲前后沿口上出现锯齿口。还有长期机械运动产生磨损，使间隙变大也会引起编码脉冲前后沿口上出现锯齿口。

在工业现场的干扰是错综复杂的，由来自控制现场如电动机的启动停止、大电流接触器的切换、可控硅的调相干扰、电弧电脉冲、电磁波等等复杂的干扰群，那纵向和横向电磁干扰是罗列不完。

问题终综合反映在计数脉冲上，产生了寄生毛刺信号或寄生干扰脉冲，寄生毛刺脉冲又没有得到有效的遏止整形。所以必然会导致PLC高速计数器的计数精度不稳定、不、产生累计误差、经常会碰到偶发性的计数出错等一系列问题。

所以许多部件在实验室做模拟试验时是完好无误的，而一旦到了工业现场却出现种种不正常的现象。这往往是因为忽略了系统设计的整体概念，各个系统与系统之间的不匹配所产生的系统性干扰。它会直接影响到PLC控制精度，使得原本为了提高控制精度而设置的功能，却发挥不了本该提的效果。即理论设计精度与实际得到的效果差距甚远。有时误认为PLC高速计数器质量有问题、编码器有故障、码盘线数还不够多……。且没有找到问题的真迹在哪里而无从着手，也没有采取有效克服措施或者没有找到有效的克服干扰的方法。

为此我们针对这些在国内电气系统、工业自动化控制系统普遍存在而又常见的有共性的技术问题，专门精心比照分析，研究了许多国外引进的大系统集成项目，自动化控制程度比较高的比较经典的控制系统时。发现有许多是常被我们设计师所忽略的细节，往往认为是“多余”的或者是认为可以“节省”开销的部件，似乎那些接口件去掉可以工作。常常是在设计时从成本角度考虑被“精简”掉了。

我们对那些可“精简多余”接口部件进行分析研究后又在工业现场实地试验后方知,它在构成系统整体时存在的必要性，和选好对应匹配的接口,是对系统长期稳定运行的。尤其是度要求比较高的机械电气合一的数控项目中尤为重要。为此我们引进了而又成熟的技术，吸收消化了许多细节的处理方法。专门设计了半国产化的MHM-02A/B型双高速光栅隔离耦合器和MHM-06双高速差模信号转换器接口。而且分别还有多种输出方式，可以满足国内外现有形式的PLC控制器的要求。它已经在许多PLC数控系统上，尤其是在那些问题系统上、在老系统进行数控改造项目上实际应用得到了验证。使控制精度有非常显著提高，使理论设计精度与实际得到的效果吻合。的确是“多”而不“余”，着实能解决掉问题，起到事半功倍的效果。从而再回现上许多的产品为什么和我们的同类产品相比会有相当的差距呢？细细比较我们的确是把知其所以，而不知其所以然的精华给忽略掉了。

特点：FEATURES MHM-02型双高速光电栅耦合器是旋转编码器、光栅尺与PLC控制器高速计数器模块进行数据高速传输的良好接口

A. MHM-02型高速光栅隔离器（采用蓝光技术），可以应用于包括微处理器系统TTL与PLC之间数据高速传输转换接口（如解决雷诺德旋转编码器输出与PLC控制器之间转换接口、应用于TTL与西门子FM350-2高速计数模块接口匹配、西门子313C-2DP高速计数通道）、电动机数字光电编码器与PLC控制器之间转换接口、变频器脉冲信号与PLC控制器之间的信号传输、数据输入/输出转换接口、微处理器系统和计算机外设接口、还特别适用于电机控制应用等领域。尤其是能克服工控系统复杂的现场环境下的强干扰，将强电传动执行机构和远程PLC控制网络系统之间电气隔离，排除强电场、强磁场等电气干扰（并且具备脉冲转换整形功能）。MHM-02型高速光电耦合模块可以分隔系统和有效保护较为敏感的电路，并且具有脉冲整形功能，有效地提高了系统之间的抗干扰性能。为工业自动化控制系统中的高低电压之间提供一个物理隔离的接口。内置二路立modular optical copuplers隔离器

B. MHM-02型高速光栅隔离器常规产品输入，有PLC电平接口02A、有TTL电平接口02B，特殊要求可定制。输出，有推挽型和集电开路输出型02AO、02BO，还有固定TTL电平输出02AT、02BT，三种任选一种。

C. 结构上采用了片状模块卡口式结构，可直接卡入标准道轨安装，安装拆卸维护方便。可以多片紧凑叠合安装在标准道轨上DIN，可节省和替代控制柜输入、输出接线端子。

详细资料www.mhm-下载、欢迎技术探讨和技术咨询

一. 技术参数 SPECIFICATIONS

注：MHM-02AT型输入为PLC电平、MHM-02BT型输入为TTL电平，模块工作电源范围可DC 9 – 30 V，输出固定为TTL电平。

MHM-02AO型输入为PLC电平、MHM-02BO型输入为TTL电平，模块的工作电源范围可DC 9 – 30 V，输出为集电开路OC。

1 引言

电动机是电力拖动系统中的原动机，它将电能转化为机械能，去拖动各种类型生产机械的工作机构运动，以实现各种生产工艺的要求，如驱动轧钢机的轧辊、龙门刨床的工作台、起重机的提升机及行走机构等。在很多应用中可能要求生产机械在工作速度、定位精度、快速启动和制动、反转等方面达到一定的水平，而作为系统原动机的电动机则是实现这些要求的主体，因此提高电动机的调速技术对于整个电力拖动系统的性能具有重要的意义。随着电力半导体和微电子技术的发展，交流变频调速技术也了很大的进步并得到日益广泛的应用。

近年来，随着纺织机械机电一体化技术水平的不断提高，应用交流变频调速已成为一种趋势。在大多数新开发的纺织机械产品中几乎无一例外地应用了交流异步电动机变频调速装置。对于织造机械则有浆纱机、整经机等。另外针织机、无纺布、化纤机械、印染机械上也大量使用了交流变频调速器。本文主要介绍了欧姆龙3G3JV系列小型变频器和PLC在细纱机上的应用。

2 3G3JV变频器的特点

3G3JV变频器欧姆龙公司推出的小型变频器，结构设计紧凑，只需简单的操作就实现许多复杂的功能，主要特点是：

（1）正面的调节旋钮简单操作，变速度方便。

（2）安装简便，操作简单，用途广泛，可实现对电机的有效控制。

（3）通过简单的操作调节速度，通过正面调整旋钮，可以简单地实现速度调整。投入电源后，可立即运行。

（4）将多种功能集中于小巧机身内，大可达8段速的多段速运转，加上点动运转（大9段速）及UP/DOWN运转灯，可以实现多种速度运转。另外还包含了各种便捷的功能，如滑差补偿功能、过转矩检出功能、速度搜索功能等。维护简单，一按即可实现冷却风扇的脱卸，而且只在运转时才投入工作，能延命。

（5）可实现节省空间的小巧尺寸，使盘内的安装也变得为容易。安装、配线轻松简单。由于主回路端子的上下排列，可以轻巧的进行连接。同时通过DIN导轨的使用，可以实现一按就能安装/脱卸。

（6）对应多种输入/输出，对应0～10V、4～20mA、0～20mA的模拟输出、多功能输出端子、模拟监控等。多功能输入上可以实现PNP/NPN输入切换。

（7）避免产生高次谐波

高次谐波对电源的干扰使功率因数降低，产生射频干扰、噪声、振动等。在调试时，普通变频器对生产线上的PLC、光电开关、接近开关产生干扰。只要变频器控制的电机开动，PLC的信号就一片混乱，输入、输出指示灯无规则的闪烁，程序不能正常运行。为了避免这些问题，一般情况下，在变频器的主电路中加入电抗器，抑制干扰。经过改变动力线与信号线排布，分开走线槽，立给PLC供电，外加电抗器，加磁环滤波等一系列繁琐工作，有时，这样仍不能解决问题。但是3G3JV变频器载波频率可调节，从l～10kHz范围限宽，通过调整载波，就可以干扰。

（8）避免产生机械共振

在变频器驱动电机运转升程中或运行达到某一速度时，引起共振，这样既缩短了机器的使用寿命，又降低了机械的精度。3G3JV变频器有一个专门的参数能使升程中跳跃一段频率，可以避免机械共振。

（9）在保护功能以及延长使用寿命等方面的新措施

通用变频器的保护功能主要包括过电流保护、过电压保护、失速保护等，通常变频器的保护电路都是制作在控制线路板上。3G3JV变频器是把过电流保护、过电压保护制作在功率驱动模块一起，这样缩短了电信号的传输距离，使得保护电路反映的速度加快捷，提高了变频器的性。

（10）变频器的寿命延长

很多变频器的损坏是由于元器件老化造成的。变频器由于冷却风扇寿命较短，冷却风扇在变频器上电的时候开始工作，到了风扇的使用寿命，风扇损坏停止工作，造成整流器件、逆变功率器件过正常工作温度烧毁，修复成本很高，基本无修复。这样就由于一个风扇影响了变频器的寿命。3G3JV变频器的控制风扇可以在变频器驱动电机运转时才转动，这样可以延长冷却风扇的寿命，也就延长了变频器的寿命。

3G3JV系列小型变频器的优点在于多功能输入输出接点，引入了多功能变频器的优点，使控制方法简便、完善,从而使得它非常适合纺织生产工艺流程的变化。

3 工艺要求

棉纺过程有开纤（开棉、除尘、混棉），制纱（梳棉、制棉条），粗纺（将棉条进一步延伸，稍加搓捻），后是精纺（将粗纱延伸、搓捻成细纱）。细纱机是棉纺过程的后一道工序，精纺机械的纺织时间长，而且需要强驱动力。该道工序的好坏直接影响到棉纱的产量和质量，所以选择细纱机的传动装置是十分重要的。

细纱机是将粗纱或条子纺成一定支数细纱的纺织机器。它的控制系统性能稳定与否直接影响到生产成本。采用PLC和变频器控制细纱机，操作简单，接线少，系统稳定，成纱质量好，且维修方便，便于管理。

细纱机有低速运行、高速运行、吹吸风、落纱等过程。落纱分为自动落纱和中途落纱（暂停工作），自动落纱又分定长落纱和定时落纱。自动落纱的方式、落纱时间及长度均可设置，并能掉电保持。细纱机所需的电气传动装置应满足如下条件：

（1）率

细纱机所需的传动动力占棉纺过程的50%以上，且连续运行。所以传动装置的效率直接影响到整个棉纺过程。

（2）可软启动

启动时如果受到过大的的张力或者张力变化急剧都会造成断纱。

（3）良好的速度控制性能

高生产率的纺纱速度是断纱少的速度，但断纱由于种种原因而变化，纺纱速度也应对应于各种条件进行调整。

根据纺纱过程的工艺要求，采用松下的FP0型PLC和3G3JV小型变频器可以满足上述要求，3G3JV变频器的模块化设计理念、快速的I/O处理时间和良好的动态响应可以实现灵活地配置控制系统。

在系统中采用FP0型PLC对各个变频器进行集中监控，PLC和变频器之间通过RS-485总线相连，变频器和电动机的各个参数如电机电流、电机运行的大和小频率、变频器的斜坡上升和下降时间等都可以由PLC通过通信口来实时地访问和修改。这样就增强了系统的控制性能，减少了系统的布线和调试时间，降低了工程施工的成本，提高了系统的性，方便了系统的维护，降低了维护费用。

4 系统配置

一台细纱机通常有250～400个纱锭，纺纱锭数一般用细纱机台数×40来表示。细纱机本身的纺纱能力用纱锭的转速表示。细纱机的运行模式分为高、低速两档。在启动开绕和绕满停车时，为了防止断纱而实行软启动和停车。系统中用了16台内置EMC滤波器的变频器和16台三相250W的电机。控制系统采用 PLC。所有的变频器都由PLC通过RS485串行通信口来控制。这样不仅增强了系统的控制性能，而且还减少了系统布线和调试的时间。控制系统的框图如图 1所示。运行模式如图2所示。

纺纱过程中由电机来带动纱锭（线轴）工作。电机在变频器的控制下运转而带动纱锭进行纺纱。纺纱的质量取决于变频器能否在负载变化时保持稳定的运行。系统中采用欧姆龙3G3JV变频器来控制纱锭电机的运行，3G3JV变频器具有很高的动态性能容许负载快速变化，其FCC控制功能可以提供非常平稳的运行速度，从而减少了断纱，提高了纺纱的质量。3G3JV变频器具有快速的捕捉再启动功能，当电网故障时可以快速地再同步纱锭速度，以避免断纱的产生。 3G3JV变频器可以控制电机在负载变化时从静止到输出650Hz平稳地运行。所有的变频器和电机的参数，如电机的实际速度、电机电流、电机的输出力矩以及变频器和电机的运行状态都可以通过串行口来访问。

细纱机的运行模式分为高速和低速两档。在系统开绕到低速以及由低速到高速的加渡过程中，电机带动纱锭在变频器的控制下在设定的时间内均匀加速。在由高速到低速以及由低速到绕满停车的减渡过程中，电机在变频器的控制下在设定的时间内均匀减速，如系统的运行模式图所示。在启动开绕和绕满停车时，变频器实行软启动和停车，以避免断纱的出现。低速和高速的持续时间由PLC控制，而具体的运行速度是通过对变频器的设定来确定的。

接通电源后，吸风电动机开始工作。同时，钢领板升降电动机正转，钢领板上升。当钢领板升到了始纺位置时，其复位开关动作，电动机停止。按下低速起动按钮，主机开始低速运行，进行细纱接头。按下高速起动按钮，转换为高速运转，全机进入正常纺纱阶段。

纺纱满管后，钢领板复位开关动作，满管信号灯亮。进入工作位置，主机停止开关接通，此时，主机高速接触器释放，钢领板升降中间继电器吸合，主机断电保持惯性回转。随后，钢领板升降电动机反转，钢领板开始下降，降到限位置时，钢领板下降限位开关动作，停止下降。撑爪电磁铁吸合时，将撑爪打开，主轴制动电磁铁吸合，主轴制动刹车。经过一段延时后，切断控制电源，落纱完毕。

需要中途停车时，按下中途停车按钮，主机即可停车，并自行制动。需要提前落纱时，按下中途落纱按钮即可。当机器发生意外时，按下紧急停车择钮，可使全机立即停车。

在程序中设置了各个过程、设备之间的联锁保护，使生产过程加、合理。

5 结束语

系统中采用的3G3JV变频器的防护等级为IP20，为了保变频器长期地运行，在系统工作过程中需要注意以下几个方面：

（1）由于纺织生产本身的工艺要求，要保持车间一定的温度和湿度，在炎热的夏季一定要注意变频器柜体的温度不要限，要确保柜体的通风。

（2）由于纺纱车间的粉尘较多，如果变频器的柜体设计密封程度不够，粉尘进入变频器内堆积，吸附在电力、电子元件上，将会导致绝缘降低，引起变频器故障。因此在设计柜体时要注意防尘，并定期清理柜子的过滤器。

（3）由于供电质量低以及同一电网连接多台变频器，故需考虑在每台变频器的输入端加进线电抗器，以保护变频器长久地正常运行。