基于PLC的空壓機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李國(guó)棟

聊城市技師學(xué)院，山東聊城 252000

1 應(yīng)用價(jià)值及意義

4L-20/8 型活塞式空氣壓縮機(jī)是一種利用電動(dòng)機(jī)將氣體在壓縮腔內(nèi)進(jìn)行壓縮并使壓縮的氣體具有一定壓力的設(shè)備。由于結(jié)構(gòu)原理的原因，空壓機(jī)自身存在著明顯的技術(shù)弱點(diǎn)。為此，本文引入PLC 及變頻器進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，全面提升系統(tǒng)性能。

2 硬件選型

2.1 PLC 選型

1）基本單元

本系統(tǒng)所使用的可編程序控制器采用日本三菱公司生產(chǎn)的FX2N -128MR-A1 型PLC。

2）擴(kuò)展單元

N0～N5 為FX2N-8AD 型模擬量輸入模塊，每個(gè)模塊有8 路模擬量輸入通道，編號(hào)為CH1～CH8。共計(jì)6×8=48路通道，供47 路模擬信號(hào)輸入使用。緩沖寄存器的編號(hào)為0#BFM～31#BFM，各路通道所對(duì)應(yīng)的緩沖寄存器依次為5#BFM～12#BFM，用以存放采樣數(shù)據(jù)，通過PLC 的FROM 指令讀取緩沖寄存器，并將所讀取的數(shù)據(jù)寫入PLC的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，至此，便完成了A/D 轉(zhuǎn)換。其中，每個(gè)特殊功能模塊占用8個(gè)I/O 點(diǎn)，共占用6×8=48 個(gè)X 輸入點(diǎn)。

N6 為FX2N-8DA 型模擬量輸出模塊，有8 路模擬量輸出通道，編號(hào)為CH1～CH8。共計(jì)1×8=8 路通道，供6 路模擬信號(hào)輸出使用。各路通道所對(duì)應(yīng)的緩沖寄存器依次為5#BFM～12#BFM，用以存放通過PLC 的TO 指令寫入緩沖寄存器的輸出信號(hào)，至此，便完成了信號(hào)的D/A 轉(zhuǎn)換。其中，每個(gè)特殊功能模塊占用8 個(gè)I/O 點(diǎn)，共占用1×8=8 個(gè)Y 輸出點(diǎn)。

N7為PLC的PID過程控制模塊，每個(gè)模塊可控制多個(gè)閉環(huán)，本系統(tǒng)的PID 控制對(duì)象有6 個(gè)，故本模塊只需通過PLC 程序中的6 個(gè)PID 指令實(shí)施控制即可，他們是：VVVF 變頻器的4-5端之間4mA～20mA 輸出控制，5 個(gè)控制主機(jī)進(jìn)水回路的電調(diào)閥。

2.2 變頻器選型

本系統(tǒng)所使用的變頻器采用日本三菱公司生產(chǎn)的FRF740-S450K-CHT，450kW，3 相380V 三菱變頻器；

2.3 傳感器的選型

本系統(tǒng)運(yùn)行中一共采集了11 種信號(hào)，5 臺(tái)空壓機(jī)加1 個(gè)風(fēng)包共計(jì)47 路模擬輸入。

1）壓力傳感器的選型

為便于安裝并兼顧精度，本系統(tǒng)采用了性能優(yōu)良的壓力傳感器MLH016BSB01B。

2）溫度傳感器的選型

現(xiàn)場(chǎng)的溫度信號(hào)范圍為0°～160°，所以溫度傳感器采用系統(tǒng)原有的PT100 標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度傳感器。PT100 是鉑電阻溫度傳感器，它適用于測(cè)量一60℃到+400℃之間的溫度。

2.4 電調(diào)閥的選型

為有效地控制空壓機(jī)主機(jī)進(jìn)水壓力，本系統(tǒng)對(duì)器采用了PID 控制。設(shè)備所選電調(diào)閥采用北京偉江源科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的丹佛斯設(shè)計(jì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)共有五臺(tái)同型號(hào)空壓機(jī)，通過標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器和熱電阻將空壓機(jī)的壓力和溫度信號(hào)以標(biāo)準(zhǔn)4mA～20mA 信號(hào)和電阻信號(hào)傳送給PLC 的模擬輸入模塊，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的采集?，F(xiàn)場(chǎng)的開關(guān)量信號(hào)通過電纜直接傳送給PLC 的數(shù)字輸入模塊。

PLC 對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、變換和存儲(chǔ)后，通過SC-09 編程電纜與上位機(jī)通訊，將變換后的信號(hào)送到PC 機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)，PC 機(jī)將設(shè)置的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)傳送給PLC。PLC 對(duì)采集的風(fēng)包壓力與設(shè)定值進(jìn)行比較，通過智能控制運(yùn)算后將控制信號(hào)送給變頻器，控制變頻器的啟動(dòng)、運(yùn)行和停止。

3.2 PLC 程序設(shè)計(jì)分析

本系統(tǒng)共計(jì)12路開關(guān)輸入，42路開關(guān)輸出，47路模擬輸入，6 路模擬輸出。

1）對(duì)空壓機(jī)的控制

（1）首先讀入風(fēng)包壓力信號(hào)，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，判斷是在哪個(gè)范圍。風(fēng)壓若處在正常范圍，則第一臺(tái)工頻，第二臺(tái)變頻；若低于正常范圍，則第一臺(tái)、第二臺(tái)工頻，第三臺(tái)變頻。若高于正常范圍，則只啟動(dòng)第一臺(tái)變頻。8 小時(shí)以后，讀入風(fēng)包壓力信號(hào)，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，判斷是在哪個(gè)范圍。風(fēng)壓若處在正常范圍，則第四臺(tái)工頻，第五臺(tái)變頻；若低于正常范圍，則第三臺(tái)、第四臺(tái)工頻，第五臺(tái)變頻。若高于正常范圍，則只啟動(dòng)第四臺(tái)變頻。再過8 小時(shí)，在從第一、二、三臺(tái)開始，以次循環(huán)往復(fù)，保證了各臺(tái)機(jī)器的充分休息與散熱。

（2）在程序確定工作機(jī)器臺(tái)數(shù)及確保輪換的同時(shí)，程序還要根據(jù)讀入的風(fēng)壓信號(hào)來進(jìn)行PID 智能控制，確定變頻器的給定頻率。

3）對(duì)電調(diào)閥的控制

變送器讀入主機(jī)進(jìn)水壓力后，PLC 將其與設(shè)定值比較，若在安全范圍內(nèi)，則進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)到目標(biāo)值。反之，則進(jìn)行報(bào)警停機(jī)。

4）對(duì)前6 路模擬信號(hào)的控制

第一、二項(xiàng)作為第0s 的啟動(dòng)條件，與設(shè)定值進(jìn)行比較后，若在正常范圍內(nèi)，則允許啟動(dòng)。反之，報(bào)警停機(jī)。第三項(xiàng)與設(shè)定值進(jìn)行比較后，若在正常范圍，則5s 后投入斷電停機(jī)回路。第四、五、六項(xiàng)設(shè)定值進(jìn)行比較后，若在正常范圍，則180s后投入斷電停機(jī)回路。

5）VVVF 變頻器的PID 控制：VVVF 變頻器的4-5 端之間4mA～20mA 電流輸入采用的是PLC 的PID 模塊控制。當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到風(fēng)包壓力確定空壓機(jī)工作臺(tái)數(shù)的同時(shí)，進(jìn)行PID 運(yùn)算，PLC 的PID 模塊輸出4mA～20mA 電流至變頻器的4-5頻率調(diào)節(jié)端，通過調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率來改變空壓機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)包壓力至標(biāo)準(zhǔn)值（0.8mp）的目的。

6）主機(jī)進(jìn)水壓力電調(diào)閥的PID 控制

空壓機(jī)的主機(jī)進(jìn)水壓力調(diào)節(jié)采用PLC 的PID 模塊控制。當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到主機(jī)進(jìn)水壓力在0.4MPa～1.2MPa 之間時(shí)，通過PID 運(yùn)算，PLC 的PID 模塊輸出4mA～20mA 電流至電調(diào)閥，通過調(diào)節(jié)閥門的開度來改變進(jìn)水量，以達(dá)到調(diào)節(jié)進(jìn)水壓力的目的。

4 現(xiàn)場(chǎng)安裝與調(diào)試

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)能否在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)正常的工作，發(fā)現(xiàn)并改正設(shè)計(jì)和安裝中產(chǎn)生的錯(cuò)誤，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，有必要進(jìn)行調(diào)試。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試主要包括PLC 程序的調(diào)試及運(yùn)行、大電機(jī)變頻一工頻切換調(diào)試、PID 參數(shù)調(diào)整以及監(jiān)測(cè)軟件的調(diào)試及運(yùn)行。

實(shí)踐證明，該方案自動(dòng)化程度高，節(jié)能效果顯著，實(shí)用性好。

[1]陸曲，楊維明，何進(jìn)，李倩，郭國(guó)濤，周民.基于PLC的空壓機(jī)冗余控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).信息通信[J].