制冷试验装置控制中的PLC竞争险象问题

曹义新，高启明，郝颖磊

（1.合肥通用机械研究院，安徽合肥 230031；2.合肥通用环境控制技术有限责任公司，安徽合肥 230088）

0 引言

PLC程序控制方式在制冷试验装置电气设计中已广泛采用，PLC程序控制方式可以将传统的硬件电路软件化，将软件的诸多优点拿来即用，解决部分传统电气控制电路中很难解决、甚至无法解决的问题。但软件化具有两面性，PLC的竞争险象问题在制冷试验装置电气控制中产生了很多问题和安全隐患。解决PLC竞争险象问题必须结合PLC硬件特性对其控制程序从逻辑控制和安全考量的角度进行分析，从制冷试验装置控制中的共性和特性两方面着手研究解决。

1 PLC竞争险象问题

1.1 PLC竞争险象的产生

PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）在扫描时把输入输出的状态先存入I/O状态表,执行完程序后进入输出刷新阶段，控制信号从I/O状态表输出到执行元件。这种顺序性的扫描方式不可避免地产生了竞争（即由于延迟时间的影响，使得输入信号经过不同路径到达输出端的时间有先有后），从而造成险象（即由竞争导致的错误输出信号）。

1.2 PLC竞争险象的判断方法

（1）逻辑代数法。如果组合逻辑电路输出端的2个输入信号和是输入变量经过2个不同的传输路径而来，那么输出端必然存在竞争险现。

（2）卡诺图法。在组合逻辑电路输入变量为多个的情况下，可利用卡诺图法来判断当2个以上的变量同时改变状态时，电路是否存在竞争险象。

（3）逻辑模拟法。通过在计算机上运行模拟程序，能判断出组合逻辑电路是否会出现竞争险现。

（4）实验观察法。将组合逻辑电路输入端信号的所有变化都输入到示波器，观察输出端是否存在竞争险象。

上述方法在实际中需要结合起来灵活运用。

2 制冷试验装置的电气控制

制冷试验装置从属于流体机械，分为动力部分、工质循环部分、电气部分和数据采集及测控软件部分。典型的制冷试验装置原理见图1。

常见的制冷试验装置的电气控制可以划分为动力控制、执行部件逻辑控制、报警连锁控制和特殊控制四种控制类型。报警连锁控制和特殊控制一般不牵涉到竞争险象问题，着重分析动力控制和执行部件逻辑控制。

3 PLC竞争险象问题在制冷试验装置电气控制中的分析及解决

3.1 共性问题的分析及解决

制冷试验装置电气控制中共性问题主要是动力控制问题，其核心是电机控制问题。这一部分涉及到安全问题。

3.1.1 共性问题分析

类型一：三相异步电动机正反转,实现电路中有互锁控制的要求。三相异步电动机正反转控制电路见图2，若直接梯形图成PLC程序，控制中会出现竞争险象，即造成主电路瞬间短路。

图1 空调焓差法制冷试验装置原理示意

图2 三相异步电机正反转控制电路

类型二：三相异步电动机“Y-△”降压启动过程问题。三相异步电动机“Y-△”降压启动PLC控制中会出现竞争险象，即造成电机过热,甚至短路烧毁。原因是KM2，KM3之间的切换宜在KM1失电状态下进行,且二者要有时间差，控制电路见图3。

图3“Y-△”降压启动电路、I/O接线图及改进后梯形图

3.1.2 共性问题的解决

类型一中为了克服竞争险象问题，增加T450，T451两个计时器（图4），如不采用这2个计时器，则Q430，Q431的切换是在PLC的一个扫描周期内完成,有互锁要求的两继电器的通电与断电将使主线路产生瞬时短路。

图4 PLC的I/O接线图及改进后的梯形图

类型二中为了克服竞争险象问题，在图4改进后梯形图中增加两计数器T450和T451，计时器T450的延时时间整定为“Y”启动达到稳定速度所需要的时间,计时器T451的延时时间为KM2，KM3之间的切换时间差，这样就保证了“Y-△”的切换是在电机“无电”的状态下进行，且这2个动作有时间差,避免了KM2在电机带电情况下断电拉弧,时间继电器T450，T451为PLC内部的软继电器,不存在触点、线圈失效故障,提高了系统的可靠性。

PLC竞争险象在制冷试验装置电气控制中共性的电机控制问题主要是上述两大类。其他共性问题如电加热控制问题，及PLC电机控制中的其他问题正在探索研究中。

3.2 特性问题的分析解决

特性问题在制冷试验装置电气控制中主要是指执行部件逻辑控制类型出现的PLC竞争险象问题，可能会出现执行部件逻辑混乱，甚至导致无法正常工作。下面分别在水循环控制系统、制冷剂循环控制系统和空气循环控制系统这三大制冷试验装置能量交换应用领域中举例说明。

3.2.1 水泵开启—靶流开关PLC控制竞争险象问题

冷水机组水泵10.02开启，如果没有定时器TIM059，靶流开关5.04存在竞争，一旦PLC误判水管路断流，就会强制计数器CNT145不工作或停止工作，从而有可能出现的险象为：点击冷水机组水泵开启按钮，水泵没开启或开启后即停水泵，从而整个水管路循环不能正常工作。这里增加一个定时器TIM059，即避免了竞争险象问题，也给水流冲开靶流开关一个机械缓冲时间，从而保证设备正常运行，改进后的梯形图见图5。

3.2.2 制冷压缩机开启—制冷剂压力开关PLC控制竞争险象问题

制冷压缩机开启的同时，PLC开启蒸发器前的电磁阀，使制冷剂高低压侧流通。如果电磁阀瞬时开启较慢，压缩机也会瞬时高压侧排气压力过高或低压侧吸气压力过低，都会触动压力开关，从而存在竞争，一旦PLC误判电磁阀失灵，就会强制压缩机不工作或停止工作，从而有可能出现的险象为：点击压缩机开启按钮，压缩机没开启或开启后即停；另外制冷压缩机两次开启之间有保护时间间隔，从而使问题更加复杂化。这里在压缩机开启后增加一个定时器，即避免了竞争险象问题，也给制冷剂相间平衡提供了条件，从而保证压缩机正常运行。

3.2.3 空气处理机循环风机开启—微压差开关PLC控制竞争险象问题

测试间需要开启空气处理机循环风机来保证密闭空间的温湿度场的均匀。循环风机开启，空气处理机出风口瞬时出现压差，从0到正压，这样微压差开关（一般设定30 Pa，可调）存在竞争，一旦PLC误判压差过小，就会强制循环风机不工作或停止工作，从而有可能出现的险象为：点击循环风机开启按钮，循环风机不开机、开启后即停或风机运行一段时间后风机电机因风压压头过小而热过载停机，从而使空气处理机不能正常工作。这里在循环风机开启后增加一个定时器即可避免上述竞争险象问题。

制冷试验装置电气控制中的特性问题比较多，发现也较为困难，但在一定条件下出现的竞争险象问题干扰试验装置的正常工作，需要花费大量的时间发现分析解决这些特性问题，在实际工作中不断总结完善。

图5 改进后的水泵开启-靶流开关控制PLC梯形图

4 典型案例及应用统计

国内某大型中央空调公司近10年已建造了3个制冷试验装置，涉及到空气焓差、冷热水机组、制冷压缩机及两器等多种单项和综合试验类型，年检测各类制冷设备和部件几万台。但由于试验装置设计时没有考虑到PLC竞争险象问题，导致试验过程中出现各种故障，甚至出现几次电机烧毁，更换接触器、电流保护器或电机本身的安全事故，平均每台试验装置的无故障运行时间仅50 h，有些长周期的空调性能试验无法实施，每年带来三百多万元人民币的经济损失。

图6 某大型中央空调公司综合制冷试验装置

经过对试验装置的故障问题和安全隐患进行排查，约80%和PLC竞争险象问题有关。解决方案从软件工程学考量入手，改进完善PLC程序，结合共性和特性2个方面的问题进行全面分析解决。从近两年该企业试验装置的实际运转情况来看，平均每台试验装置的无故障运行时间已达500 h，没有发生过电机烧毁等安全事故，可以做包括长周期性能试验在内的所有试验，大大提高了试验装置的利用率，使每年的经济损失降到百万元人民币以下，图6为其中一个综合试验装置。

通过对国内制冷行业试验装置电气控制中PLC竞争险象问题的完善和解决的程度，相关统计数据见表1，直接和间接的经济效益达到三千万元人民币左右。

5 结语

PLC竞争险象问题由来已久，已有的解决方案是在软件工程学的基础上，从共性和特性2方面尽量避免制冷试验装置电气设计和应用中的PLC竞争险象问题。今后PLC竞争险象问题的深入研究可以结合软件安全评估理论，持续改善制冷试验装置电气设计和控制中的PLC应用水平，给国内制冷行业带来更大的经济利益。

表1 国内制冷试验装置PLC竞争险象问题改进表