某醫院液氧泵控制柜的設計

董杰民

（江門市立天機電工程有限公司，廣東 江門 529000）

0 引言

PLC（可編程序控制器）是20世紀60年代以來發展迅速、應用廣泛的工業自動化控制裝置，特別適用于控制做重復且固定動作的設備。PLC具有可靠性高、抗干擾能力強、外圍布線簡潔等特點。2010年10月，某醫院1臺80年代后期生產的重要設備——液氧泵控制柜故障，要求重新設計制造1臺相同功能的設備來代替，并提出如下要求：（1）該設備承擔著供應全醫院所用氧氣的重任，所以設計制造時間要短；（2）制造設備所用元器件必須可靠耐用，具有高替換性；（3）設計線路要簡潔，當元器件出現故障時，值班電工可以隨時更換；（4）3臺泵的工作方式：每次運行時投入2臺泵工作，1臺備用，按投入工作次數計算而自動輪換，即第1次投入1#與2#泵，第2次投入2#與3#泵，第3次投入3#與1#泵，然后復位。

1 工程設計

1.1 設計思路

（1）用儲氣罐上原有壓力表的上下限觸點作為PLC輸入信號來控制泵的啟動與停止；（2）用熱保護繼電器的動觸點作為PLC輸入信號，控制程序進入故障處理回路；（3）編寫PLC程序實現按壓力開關閉合次數來自動輪換的工作方式。

1.2 電路設計

1.2.1 主回路

（1）因泵的功率較小，采用接觸器直接啟動―停止的工作方式；（2）3臺泵各支路獨立供電，互相之間不影響運行；（3）3支路輸出端串接熱保護繼電器作過載保護，其動觸點接至PLC作故障輸入信號；（4）控制柜面板配置電壓、電流表，工作狀態指示燈等常規配置。

1.2.2 控制回路

（1）自動/手動狀態、壓力表上下限觸點、各泵手動按鈕、熱保護繼電器觸點作為PLC各步驟的動作信號，接到PLC輸入端供程序控制運算用。（2）PLC輸出控制中繼、3臺泵的配套電磁閥及運行狀態指示燈。（3）中繼擴展帶動接觸器合閘（圖1）。（4）為解決壓力表的上下限觸點的竄動問題，用有觸點自鎖的中繼作為隔離元件提供啟停泵信號到PLC輸入端；出于安全考慮，由壓力表至本控制柜的外接回路，用AC24 V安全電壓供電。

圖1 控制回路示意圖

1.3 元器件選擇

（1）每臺泵功率為5.5 kW，計算出運行電流約10.5 A，乘以1.5倍安全余量為15.7 A，故各支路的熱保護繼電器動作電流選定12 A，其他電氣元件的額定電流可選定20A。（2）核心元件PLC選用日本三菱電氣公司生產的FX2N-32MR-001型號產品，其具有16個輸入點和16個輸出點，繼電器輸出，可直接帶動交、直流負載，使用AC220V電源。（3）查PLC使用手冊：繼電器輸出型PLC，其輸出觸點可直接帶感性負載≤80VA（AC230V）；查CJ20交流接觸器說明書：CJ20-25A接觸器的起動容量為93.1 VA（AC220V），即CJ20-25A接觸器不能直接接到PLC輸出端，須加中繼作容量擴展。（4）輸出回路的中繼采用互換性強的HH54P系列小型中繼。（5）接觸器選用國產質量較好且互換性強的CJ20型。

1.4 PLC程序設計

（1）梯形圖是PLC的編程語言，一般用“順序控制”的編程方式，即在當前步驟用各輸入信號觸發程序運行計算，達到設定目標后再跳至下一步驟運行或輸出控制。（2）應用在Windows上運行的“不在線調試軟件”——GX Simulator來編寫、測試程序，該軟件可以在不連接PLC情況下進行程序的編寫，并有模擬PLC運行模式，通過觀察X和Y元件的運行狀態來確定、調試程序。PLC控制程序主要分為：“3臺泵按壓力開關閉合次數計算自動輪換工作程序”、2臺泵錯開啟動時間的“主控運行程序”、“故障判斷程序”、“故障替換程序”4大部分。另外還有“故障報警程序”和“手動控制程序”。PLC程序流程圖如圖2所示。

圖2 PLC程序流程圖

1.4.1 3臺泵按壓力開關閉合次數計算自動輪換工作程序

程序步驟：狀態寄存器S0為ON狀態→X2閉合1次→觸發1#泵對應的計數器C0為ON狀態，同時另外2臺泵對應的計數器C1和C2中寫入“1”→程序跳至步驟S20運行1#與2#泵→壓力上限停機，跳回步驟S0→X2閉合2次→計數器C1為ON狀態，同時計數器C2中寫入“2”→程序跳至步驟S30運行2#與3#泵→X2閉合3次→計數器C2為ON狀態→程序跳至步驟S40運行3#與1#泵（圖3）→壓力上限停機→跳至S45步驟，清除所有運行狀態，延時1 s跳回S0步驟重新運行。

圖3 3臺泵按壓力開關閉合次數計算自動輪換工作程序

1.4.2 主控運行程序

程序步驟：計數器C0為ON狀態，跳至S20步驟→啟動1#電磁閥與柜面指示燈，同時開始計時10s→時間到跳至S21步驟→保持1#電磁閥，啟動1#泵，延時90s（時間內壓力夠則跳至S24步驟）→時間到仍未夠壓力，跳至S22步驟→保持1#電磁閥與1#泵，啟動2#電磁閥同時開始計時10s→時間到跳至S23步驟→1#與2#電磁閥、1#與2#泵全啟，延時2 min（預防壓力表壞造成儲氣罐超壓發生爆炸事故）→壓力夠或時間到跳至S24步驟→先停2#電磁閥與2#泵→延時2 s跳至S25步驟→清除所有運行狀態→延時1 s跳至S0步驟，等待啟動信號重新選擇支路程序運行（只介紹1#與2#泵運行情況，其他支路相同）。

1.4.3 故障判斷程序

程序步驟：任一熱繼動作→程序跳至S50步驟→程序根據計數器C0、C1和C2的當前數值，判斷運行哪一支路處理程序（假設C0為ON狀態）→啟1#與2#泵時，2#泵故障→跳至S52步驟，并啟動S67步驟，點亮安裝在門口處的報警燈（頻閃報警）；若1#泵故障，且2#泵已運行時→跳至S60與S67步驟；若1#泵故障，2#泵未啟動時→跳至S30步驟，運行2#與3#泵，并啟動S67步驟（只介紹1#與2#泵，其他支路相同）。故障判斷程序流程圖如圖4所示。

圖4 故障判斷程序流程圖

1.4.4 故障替換程序

程序步驟：當跳至S52步驟→1#泵繼續工作，同時計時100s→時間內壓力夠則跳至S55步驟停機，壓力未夠則跳至S53步驟→保持1#泵，啟動3#泵，同時計時2 min→時間內壓力夠跳至S55，壓力未夠則跳至S54步驟→強制停3#泵，延時2 s跳至S55步驟→消除所有運行狀態，返回S0步驟，重新等待選擇支路啟動（注：原程序是返回S0步驟，后期修改程序才改為S52）（只介紹1#與2#泵，其他支路相同）。

2 程序測試

程序測試可以在Windows上運行的GX Simulator三菱PLC專業測試軟件上進行，該軟件在不連接PLC的情況下在電腦上模擬PLC各輸入點“X”的ON或OFF狀態，在監控觀察窗口中顯示出PLC輸出點“Y”的工作狀態（ON狀態顯黃色），是否與程序設計要求一致。經調試，所編寫程序已達到設計目的。再將該程序用三菱FX系列PLC的專用編程軟件“FXGP-WIN-C”編譯一次，并傳送至PLC后對已裝配完畢的整機進行全面檢驗，至此整個工程的設計制造階段已經完成。

3 使用情況跟蹤

該控制柜于2010年10月安裝使用，一直處于正常運行狀態。2012年5月因醫院擴建，原設備搬遷到新址安裝后發現2#泵的軸承損壞，電工把2#泵斷電后，程序出現混亂情況。

經觀察發現是故障替換程序的最后返回語句有問題：壓力上限停機后又跳回S0步驟，這等于沒有將故障泵排除于運行之外，將該步驟改為跳至故障替換程序的第1步來進行循環操作，即：原1#與2#泵運行→當2#泵故障→程序跳至S52開始→運行1#與3#泵→壓力上限停機→壓力低再觸發→跳回S52步驟循環，從而將2#故障泵排除于運行之外。修改程序后設備運行正常。

4 結語

選用PLC來做較復雜的控制電路是最合適的，PLC與繼電器電路相比具有非常明顯的優勢：外圍元器件大量減少，觸頭接觸不良造成的故障率也大大減少；使用壽命長，只要注意帶負載不超過其規定值，平均無故障時間可達數萬小時以上；裝配控制柜時可與編寫、測試程序同時進行操作，裝配完畢后再將程序輸入PLC，大大縮短制造時間；后期維修更改時無需改動線路，只需修改程序，即可達到用戶要求。

［1］岳慶來.變頻器、可編程序控制器及觸摸屏綜合應用技術.機械工業出版社，2006

［2］FX2N系列微型可編程序控制器使用手冊

［3］日本三菱電氣公司.FX系列PLC產品使用手冊