基于PLC的螺杆式空压机控制系统的设计

基于PLC的螺杆式空压机控制系统的设计【摘要】针对螺杆式空压机运行条件恶劣、故障频出的情况，分析了空压机的控制要求，设计了基于PLC的控制系统，详细介绍了系统的软、硬件设计及工作原理。实践表明，该控制系统稳定性好，可靠性高，完全满足控制要求。【关键词】螺杆式空压机；PLC；控制系统DesignofControlSystemforScrewCompressorBasedonPLCZHOUHai-dan（FairFriendInstituteofElectromech，HangzhouVocational&TechnicalCollege，HangzhouZhejiang310018）【Abstract】AimingatthebadoperatingconditionsandmalfunctionfrequentlyofScrewCompressors，acontrolsystemwasdesignedbasedonPLCafteranalyzingcontrolrequirements.Thenthehardwareandsoftwaredesignandworkingprinciplewasdemonstrated.Theresultsshowthatthesystemhaswellstabilityandhighreliabilityandcompletelymeetthecontrolrequirements.【Keywords】Screwcompressor；PLC；Controlsystem0引言压缩空气是现代工业生产中不可缺少的动力源，在工业应用领域被认为是仅次于电力的第二大动力能源，其应用领域遍布冶金、化工、烟草、机械、医药、食品等行业。空压机是气源装置中的主体，它是将原动机的机械能转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置[1，2]。由于空压机的使用外部空气进行动力转换，从某种意义上来讲，是一种取之不尽的能源。其中，螺杆式空压机凭借其可靠性高等优点占据了其中很大的份额。但是因为空压机设备运行时会有很多的问题，比如相序错误、电流过载、缺相、耗材使用时间到等，国内外相关此类的安全事故也时有发生[3，4]。因此，设计一个可靠的螺杆式空压机控制系统十分有必要。在充分了解螺杆式空压机设备使用情况的前提下，根据螺杆式空压机控制器的功能需求，充分查阅资料，对比多种方案，最终设计了以单片机为核心的空压机控制系统。1螺杆式空压机基本结构空压机系统如图1所示，主要由空压机本机、储气罐、PLC控制器、传感器等组成。其中空压机本机主要包括空压机主机（机头）、油水分离筒、油分离器、油过滤器、水分离器、冷却扇、电机等。空压机无调速要求，故没有采用变频器。空压机型号为LRL-220型（22Kw，380V，3.8m3/min，0.7MPa），由三相交流异步电动机驱动。图1螺杆式空压机控制系统组成方框图2控制系统设计2.1相关要求2.1.1性能要求（1）安全性：由于其工作特点和使用环境的限制，决定了整个系统在工作时是有一定的危险系数存在的，因此在系统的设计中，要从硬件和软件两方面去保证整个系统的安全问题，并考虑最差情况下的手动强制措施；（2）稳定性：控制对象有380V交流电，而且一般工作环境都是大型设备集群区域，导致系统对于稳定性有很大的要求；（3）易操作性和可维护性：设计控制系统的时候，一定要考虑是否具有简便的操作性，设计时要考虑菜单的清晰化和操作的简便化，对于按键操作，在满足功能要求的情况下，要力求简洁明了；另外，在设计的时候需考虑设备的可维护性[5]。2.1.2参数要求（1）输入电源为三相交流380V；（2）开关量输入，包括开关、急停等；开关量输出，包括风机、主机、指示灯、故障报警输出灯等；（3）一路温度测试电路，一路压力测试电路；两组三相电流（主机、风机）输入，通过电流互感器进行相关测试；（4）显示：人机界面方式显示，人机界面包括点阵式液晶、按键、指示灯；（5）380V相序检测，判断是否相序错误，并在设定的动作时间内进行保护；（6）电机保护：对主电机有缺相、逆向电流不平衡、过电流保护功能，对风扇电机（后简称为风机）有过载保护功能。缺相、逆向保护采用欠逆相检知继电器；过电流保护采用热动继电器和电流互感器[6]。2.1.3控制要求基本控制要求为润滑油压油温超限保护、断水保护、排气温度超限保护、空压机气压超限压力保护、启动功能、停止功能、保护及故障报警功能、负荷/无负荷运行切换。如果排出压力下降到负荷压力，根据压力传感器的信号操作电路板使电磁阀励磁。控制空气经过电磁阀被输送到吸入闭锁阀，活塞运转阀门板打开，空气被吸入压缩机主机，开始压缩。同时吸入闭锁阀内的放气阀关闭，油水分离筒停止放气。如果空气消耗量减少，排出压力上升到无负荷压力，则根据压力传感器的信号操作电路板使电磁阀消磁，控制空气经电磁阀，将气体释放到大气。通过弹簧的力量，活塞被压回，吸入阀门板关闭，压缩机机身的空气吸入停止。同时放气阀打开，油水分离筒内的压力下降，进行无负荷运转。如果无负荷运转继续，则压缩机自动停止运转。2.2硬件设计螺杆式空压机的控制系统主要包括PLC、继电器输出控制、模拟量输入模块、电动机、电磁阀、人机界面等组成，如图2所示。图2螺杆式空压机PLC控制系统组成原理图2.2.1PLC及模拟量扩展模块的选择（1）该控制系统的PLC选用了三菱FX2N-32MR系列。输入模块的作用是采集螺杆式空压机的各种状态信息，包括运行情况、故障情况、各传感器信号等，然后传送给PLC进行信息处理。输出模块的作用是PLC将控制信息输出以实现对空压机的控制。由于PLC的基本单元只配置了数字量接口，为了采集空压机各传感器的模拟量输入信号，在PLC基本单元的基础上扩展了1个模拟量输入模块FX2N-4AD[7]。该模块有4个输入通道，每个通道都可进行AD转换，分辩率为12位，采集信号电压为-10V～+10V。电流输入时，为4～20mA或-20～20mA，分辩率20uA。通道初始化时设BFM#0=H3111，表示CH1、CH2、CH3的输入范围皆为4～20mA，CH4关闭。2.2.2传感器的选择本系统中采用的温度传感器为米科牌P202一体化温度变送器，其测量范围为-50～350℃，采用24VDC电源供电，输出4～20mA直流信号，精度等级为0.5，完全防水。压力传感器选择联测仪表的MIK-P300型压力变送器，其工作电源为24VDC，输出4～20mA直流信号，量程为0～1MPa，精度等级为0.1。电流传感器选择KXT273I，其输入范围为1A-400A，输出4～20mA直流信号，线性度为0.1%。2.2.3继电器的选择相序保护可采用相序继电器，当电路中相序与指定相序不符时，相序继电器将触发动作，切断控制电路的电源从而达到切断电动机电源、保护电动机的目的。本系统中采用的相序继电器为安良APR-3S欠逆相检知继电器，电源型式为三相三线式。中间继电器采用欧姆龙牌，主要用于扩展触点数量。热继电器-型号为RHN-10K，主要用来对异步电动机进行过载保护。2.3软件设计2.3.1输入/输出端口分配表1输入/输出端口分配表2.3.2控制原理系统起动后，先初始化运行，PLC将采集温度传感器、压力传感器、电流传感器、欠逆相检知继电器等信号，通过程序运行以实现对空压机的各种控制，控制动作主要包括起动、停止、电磁阀通断、急停、报警输出等，控制流程如图3所示。图3PLC控制流程图3结论本文详细地分析了基于PLC的螺杆式空压机控制系统设计，以三菱FX2N-32MR系列PLC为控制核心，并在此基础上扩展了模拟量输入模块FX2N-4AD，结合了传感器、外围电路。该控制系统稳定性好、可靠性高，具有一定的可行性。【参考文献】[1]王瑾辉，张小亮，孔平.基于空压机系统的组态控制[J].机床与液压，2010，38（22）：98-101.[2]汤钰鹏，李永平，徐建军.空压机系统的自动化节能控制[J].仪器仪表学报，2002，24：651-653.[3]张旭领，赵武，唐爱民.基于PIC单片机的螺杆式空压机控制器[J].单片机开发与应用，2009，25（9）：89-90.[4]张建国，梁南丁.矿山固定设备电气控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008.[5]KepingLiu，XueshengFeng，MinYang，ChongheTang，ChanghongJiang.FuzzypredictivecontrolofAirCompressorSystem[J].Computer，Mechatronics，ControlandElectronicEngineering，2010：344-347.[6]李宝顺.螺杆式空气压缩机智控制器的研制[J].流体机械，2005，33（7）：56-59.[7]电气控制与PLC应用[M].北京：人民邮电出版社，2012.[责任编辑：杨玉洁]