壓力容器試壓工作站電氣控制設計

劉俊才，姜來舉，王春玲

(1.海洋石油工程股份有限公司特種設備公司 天津 300452；2.海洋石油工程股份有限公司設計公司 天津 300452)

1 試壓工作站工作的基本構成

壓力容器試壓工作站是以PLC-變頻控制的兩臺電動機為動力源的離心水泵。由壓力信號反饋控制系統、溫度傳感控制系統、加熱裝置、壓力容器試壓工作站的管網系統、各種控制閥門和循環水儲水箱等組成。

2 壓力容器試壓工作站工作原理(見圖1)

壓力容器試壓工作站是由PLC-變頻控制的電動機帶動離心泵，離心泵的進水口與儲水箱相連，出水口與被試壓容器的進水口管道相連接，利用液體具有等值傳遞作用力的原理。當試壓泵出口達到某一壓力值時，容器也相應地受到了此壓力，壓力傳感器將壓力信號反饋給 PLC控制系統，使電動機停止運行，并保壓觀察1,h。當環境溫度低于5,℃時，溫度控制系統啟動加熱裝置，并將試壓水和管網系統的溫度保持在 5,℃以上。環境溫度高于5,℃時，加熱裝置停止運行。

壓力容器試壓工作完成后，關閉進水閥門、打開排水閥門，啟動水泵把試壓水抽回循環水儲水箱，以備下次使用。

圖1 壓力容器試壓工作站工作原理Fig.1 Working principle of a pressure vessel test station

3 電氣控制設計思路

3.1 使用繼電器控制的常見問題

為實現控制目的，繼電器全部采用機械式的觸點和導線連接，其缺點較多，如電氣器件種類多，線路復雜，控制動作慢，出現故障后修理困難等。并且，繼電器控制裝置特別是觸點極易損壞(松動、燒蝕、粘連等)，控制線圈易過流燒壞，且繼電器控制只能實現即時控制，一旦斷電，繼電器線圈失電，觸點恢復自然狀態，不具備記憶存儲功能。此外，使用接觸器控制交流電動機的啟動電流較大，對電動機的沖擊較大。

3.2 新型電氣控制思路

PLC-變頻控制，它能完成邏輯判斷、定時、記憶和算術運算等功能。作為電氣控制技術中的新技術，從功能和技術方面完全滿足壓力容器試壓工作站的要求。PLC作為替代繼電器的新型控制裝置，操作簡單方便、通用靈活、體積小、使用壽命長、功能強大、容易操作、可靠性高、系統穩定，可以通過弱電控制強電，其核心是微處理芯片，本身具備記憶功能。主要優點為：①PLC內部含有很多用于開關量處理的類似繼電器的軟元件，可輕松地實現大規模的開關量邏輯控制。PLC可以方便地與各種類型的輸入、輸出量連接，實現 D/A、A/D 轉換及PID運算，實現過程控制、數字控制等功能。②PLC內部含有大量的中間繼電器、時間繼電器、計數器等編程元件，使用程序(軟接線)代替硬接線，減少了大量安裝接線工作。設計人員只要將 PLC控制系統進行設計和模擬調試，就可實現邏輯動作控制，且更加快捷方便。③通過 PLC-變頻控制節能降耗，降低生產成本，增加經濟效益。實現電動機的軟啟動，啟動電流對供電設備無沖擊，對電動機無機械沖擊。避免了大電流沖擊對電動機的影響，從而提高了電動機的穩定性，延長了電動機的壽命。

4 PLC系統的選型

4.1 PLC系統的配置

選用西門子S7-200產品CPU226的PLC，輸入點24個，輸出點16個，加上1臺擴展模擬量模塊EM235。這樣配置比較合適，也兼顧了以后增加或者擴展控制系統的需要。

4.2 PLC模擬量擴展單元的配置及應用

PLC的普通輸入、輸出端口均為開關量處理端口，為了使PLC能完成模擬量的處理，常見的方法是為整體式 PLC加配模擬量擴展單元。模擬量擴展單元可以將外部模擬量轉換為PLC可處理的數字量及將PLC內部運算結果數字量轉換為機外所需的模擬量。模擬量擴展單元有單獨用于模/數轉換的，單獨用于數/模轉換的，也有兼具模/數及數/模兩種功能的。如用 S7-200系列 PLC的模擬量擴展模塊 EM235，它具有四路模擬量輸入及一路模擬量輸出，可以滿足壓力容器試壓工作站的需要。PLC及擴展模塊接線如圖2所示。

4.3 變頻器的選擇

對于泵和風機類的負載，在過載能力方面要求不高，由于負載轉矩與速度的平方成正比，又因這類負載對轉速的精度沒有特殊要求，所以選型時一般以廉價為原則，選擇普通功能型通用變頻器。

圖2 壓力容器試壓工作站PLC及擴展模塊接線Fig.2 PLC and extended module connection in a pressure vessel test station

5 電氣控制系統原理圖及電路圖(見圖3、圖4)

圖3 壓力容器試壓工作站PLC電氣控制原理Fig.3 PLC electric control principle in a pressure vessel test station

圖4 變頻控制電路圖Fig.4 Circuit diagram of frequency converter control

6 PLC的安裝及接線

6.1 PLC的安裝

PLC一般要求安裝在 0～55,℃環境溫度，無陽光直射，相對濕度不超過 85%，無油煙、無煙塵、無腐蝕性及可燃性氣體的場合，遠離振動源、強磁場，可防雨、防潮濕。在封閉的柜中安裝還要注意通風散熱。

PLC外部要安裝緊急停機電路、保護電路。基本單元、擴展單元的＋24,V不能從外部供給電源。輸入、輸出線不應過長，應為 50,m 左右，這樣基本不會產生噪聲，為安全起見，配線最好在 30,m 以內。數字脈沖信號頻率較高，傳輸過程易受外界干擾，應選用屏蔽電纜傳輸。模擬量信號是連續變化的信號，外界的各種干擾都會疊加在模擬信號上，造成干擾，因而應選用屏蔽線或帶防護的雙絞線。PLC的輸入、輸出線要與動力線分開，距離在 200,mm 以上，如果不能保證上述距離，可將這部分動力線穿管并將管接地，不可將 PLC的輸入、輸出線與動力高壓線捆綁在一起。應盡量減少動力線與信號線平行敷設的長度，或增大兩者的距離，以減少噪聲干擾，一般兩線間距為 200,mm，當兩線長距離平行敷設時，兩線間距應在400,mm以上。

6.2 PLC的接線

PLC在工作前必須正確接入控制系統。和PLC連接的主要有 PLC的電源線，輸入輸出器件的接線、通信線、接地線。PLC電源供電有兩種情況，一是使用工頻交流電，通過交流輸入端子連接，對電壓的要求比較寬松，100～250,V均可使用；二是采用外部直流開關電源供電，一般配有直流 24,V輸入端子。采用交流供電的 PLC內自帶有直流 24,V內部電源為輸入器件供電。

輸出端的外部線路要有保護措施，以防止輸出單元的繼電器、晶體管、晶閘管開關元件出現故障，而導致輸出開關信號失靈。

6.3 PLC-變頻控制系統的抗干擾措施

電源是 PLC-變頻控制系統引入干擾的途徑之一，PLC應盡可能取用電壓波動較小、波形畸變較小的電源，這對于提高PLC的可靠性有很大幫助。在干擾較強或可靠性要求較高的場所，PLC的供電線路應與其他大功率用電設備或強干擾設備(如弧焊機、高頻爐)分開。為防止對 PLC-變頻系統的干擾，應采取以下措施：①PLC的接地采用專用的接地極，或與其他盤板共用接地系統，但需要配有專用接地線，直接與公共接地極連接，不允許與大功率晶閘管裝置和大型電動機之類的設備共用接地系統連接。②PLC的接地極離PLC越近越好，PLC如由多單元組成，各單元之間應采用同一點接地，以保證各單元間等電位。③PLC的輸入、輸出信號線采用屏蔽電纜時，其屏蔽層應用一點接地，并用靠近PLC這段的電纜接地，電纜的另一端不接地，如果信號隨噪聲波動，可以連接一個0.3,μF/25,V 的電容器到接地端。④接地線截面積應大于2.5,mm2，接地線一般不超過 20,m，PLC接地系統的接地電阻應小于4,Ω。

6.4 運行前的檢查與試驗

通電前，應檢查電源，接地線，輸入、輸出接線是否正確。程序檢查，新裝入程序正式運行之前，應檢查寫入的程序是否正確，同時利用可編程器檢查功能檢查電路錯誤、文法錯誤。運行試驗，在PLC電源為ON時，自診斷功能便發揮作用。如無異常，PLC便進入運行狀態。如果有文法或電路錯誤，故障指示燈閃爍。■

［1］張萬忠.可編程控制器入門與應用(西門子 S7-200系列)[M].北京：中國電力出版社，2004.

［2］董原.高級電工實用技術[M].內蒙古：內蒙古人民出版社，2008.

［3］王兆晶.國家職業資格培訓教材維修電工[M].北京：機械工業出版社，2009.