基于PLC的煤礦空壓機控制系統設計分析

趙小飛

（中煤第三建設集團安徽礦山機械裝備有限責任公司 安徽省宿州市 234000）

基于PLC的煤礦空壓機控制系統設計分析

趙小飛

（中煤第三建設集團安徽礦山機械裝備有限責任公司 安徽省宿州市 234000）

空氣壓縮機（簡稱空壓機）是一種用來壓縮氣體提高氣體壓力或輸送氣體的機械。空壓機的用途很廣，幾乎遍及工農業、國防、科技、民用等各個領域。空氣壓縮機的安全生產保護對于煤礦企業的生產是十分重要的。可編程控制器（PLC）將傳統的繼電器控制技術、計算機控制技術和通信技術融為一體，專為工業控制而設計。本文首先對PLC進行了分析，然后基于PLC的基礎上，對煤礦空壓機的控制系統進行了設計分析。

PLC；煤礦；空氣壓縮機

1 前言

自20世紀60年代美國推出可編程邏輯控制器（PLC）取代傳統的控制裝置后，PLC取得了快速的發展，得到了更加廣泛的應用。而且，PLC功能也在不斷的完善當中。隨著信號處理技術，計算機技術，網絡技術，控制技術的飛速發展以及用戶不斷提高的需求，PLC增加了運動控制和模擬量的處理等功能。當前，PLC已經不僅僅是邏輯控制了，在過程控制，運動控制等方面也在發揮著重要地作用。

當前，在國內外PLC已經廣泛的應用在了石油，鋼鐵，電力，化工，機械制造，建材，輕紡，汽車，環保，文化娛樂以及交通運輸等很多行業。而且，計算機的監控系統采用了集中監測，集中顯示，集中控制，集中保存，集中管理的系統，結合了先進的計算機技術，自動化技術，故障診斷技術，軟件技術和通訊技術。廣泛的應用在了供暖，化工，供水，機械以及水處理等很多領域，工業生產當中的作用也越來越重要了。

我國可編程控制器的引進、應用、研制、生產是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業的生產設備及產品中不斷擴大了PLC的應用。當前，我國已經能夠生產中型和小型的可編程控制器，在我國PLC的應用會變的越來越廣泛。

2 空氣壓縮機及分類

空壓機是使用電動機在壓縮腔的內部，把氣體壓縮并使壓縮后的氣體有一定的壓力的一種設備。是一種基礎的工業機械設備，空氣壓縮機在機械制造，冶金，電力，礦山，石化，輕紡，紡織等絕大多數的工業類別當中都有十分普遍的應用。其種類可以分為螺桿式空壓機（螺桿式空壓機又分為單螺桿式空壓機及雙螺桿式空壓機）、離心式空壓機、活塞式空壓機、滑片式空壓機、渦旋式空壓機和旋葉式空壓機等。

3 在空壓機中應用PLC的意義

在煤礦采煤生產中，空氣壓縮機主要負責向礦井大量的風動機械提供動力，其工作的可靠性和安全性直接影響著礦山的正常生產和經濟效益。目前大部分空壓機組存在著控制方式落后、操作不方便的問題。控制回路大多為繼電器控制，控制方式采用就地分散式人工操作，由固定人員24h值守，值守人員根據井下用風量的需求手動啟動或者停止空壓機，并且定時巡檢、記錄運行狀況。另外，空壓機組耗電量很大，其中有相當長時間是在空載或輕載狀態下運行，導致能耗大、機器受損嚴重、運行成本較高。因此，PLC自動控制系統系統的應用，對空壓機組進行監控和保護，提高空壓機組的工作效率，降低能耗，延長使用壽命，有著重要的現實意義。

4 PLC簡介

4.1 PLC概念

PLC是在繼電器控制和計算機技術的基礎上開發出來的，并逐漸發展成以微處理器為核心，集計算機技術、自動控制技術及通訊技術于一體的一種新型工業控制裝置。

4.2 PLC基本結構和工作原理

PLC主要是由CPU、電源、存儲器和專門設計的輸入輸出接口電路等組成。PLC的CPU采用順序邏輯進行掃描用戶的程序運行的方式，就是假如一個邏輯線圈或者輸出線圈被斷開或接通，該線圈所有的觸點不會立刻動作，需要等到掃描到這個觸點的時候才會開始動作。PLC進行掃描用戶的程序所需要的時間通常都小于100ms，所以，PLC采用的是一種和一般的微型計算機不同的運行方式。

4.3 掃描技術

在PLC運行之后，工作過程通常分為了三個階段，輸入采樣，程序執行，輸出刷新這幾個階段。三個階段完成后是一個掃描的周期。在運行的時候，PLC的CPU會不斷地重復執行以上幾個階段。

5 基于PLC的煤礦空壓機控制系統設計方案

5.1 控制系統組成

控制系統由以下部分組成：變頻器、可編程控制器、電抗器、壓力變送器、接觸器、空氣開關、電流表、電壓表、按鈕、互感器等。PLC由電源、CPU、模擬量輸入、輸出模塊、開關量輸入、輸出模塊等組成。其用來實現電氣部分的控制。包括五部分：起動、運行、停止、切換、報警及故障自診斷。報警及故障自診斷：空壓機內部一般有四個需要監測的量：冷卻水壓力監測、潤滑油監測、機體溫度監測、儲氣罐壓力監測。

5.2 通信方式

5.2.1 上位機與PLC的通信

在工控領域中PLC通常作為下位機使用，工業計算機是上位機，會通過網絡進行在線監控空壓機運行的狀況，查看溫度，壓力，電機電壓，運行時間，輸出功率，電機電流等實時的數據，并記錄存儲這些數據，同時提供數據查詢以及打印的功能。現場的設備出現故障或者有動作的時候，可以出現提示消息，并且進行記錄存儲；遠程控制如果允許的時候，值班的工作人員還能夠遠程對空壓機進行遠程控制。遠程控制方便調度，而且提高了自動化管理的水平，推動了煤礦行業信息化的發展。其它的元件包括有緊急停止的按鈕，手自動的轉換開關，報警器等。在PLC和上位機之間的通訊中，PLC通過以太網模塊CP343-1接入工業以太網，上位機通過網絡實現遠程監控功能。選擇接口類型為工業Ethernet，通信速率為100Mbps，設置PLC和上位機的IP地址。在煤礦空壓機組的監控系統中，用來控制空壓機的PLC系統作為下位機，與調度室內的監控系統即上位機組成一個小型的工業以太網，進行PLC系統工作狀態的反饋和對PLC系統發送控制信號。

5.2.2 PLC與變頻器的通信

本系統中PLC對變頻器的控制是通過串行通訊的方式實現的。該過程可以分為五個階段：①計算機發出請求；②變頻器的處理等待；③變頻器應答；④計算機的處理等待；⑤計算機應答。按照不同通訊的要求完成對應過程，比如在寫變頻器的啟停控制的時候完成1～3個過程；監控變頻器的運行頻率的時候完成1～5個過程。無論是讀數據還是寫數據，都由計算機來發出請求，變頻器只是被動接受請求并作出應答。

5.3 系統設計

5.3.1 PLC控制系統的設計步驟

PLC控制系統的設計步驟有：①按照生產工藝過程進行分析控制的要求。比如操作方式（自動，手動，單步，單周期，連續等），需要的完成動作（動作條件，動作時序，必須的聯鎖和保護）；②按照控制的要求確定出需要的用戶輸出，輸入設備。來確定PLC的I/O的點數；③PLC的選擇；④對PLC的I/O點進行分配，設計I/O連接圖。這一步可結合第2步進行；⑤設計PLC的程序，同時還要進行現場施工和設計控制臺。

在對繼電器的控制系統進行設計的時候，必須要在設計完控制線路之后，才可以進行現場施工和設計控制臺。可以看出，PLC控制能夠縮短工程工期。

5.3.2 PLC的程序設計步驟

①如果控制系統比較復雜，需要先繪制好系統控制的流程圖，來清楚表明動作條件和順序。如果控制系統比較簡單，這個步驟可以省略；②對梯形圖進行設計；③按照梯形圖進行程序清單的編制；④使用編程器把程序鍵入PLC用戶的存儲器當中，檢查鍵入程序的正確性；⑤調試修改程序，直到達到要求；⑥等控制臺和現場的施工完成之后，可以聯機調試，如果達不到要求，再檢查界限或者修改程序，直到達到要求；⑦編制技術文件。

5.4 控制系統主電路設計

在硬件設計中，采用一臺變頻器控制三臺空壓機的電機運行，三臺電機的運行都有工頻和變頻兩種不同的狀態，每臺電機都需要通過兩個接觸器與工頻電源和變頻的輸出電源連接。變頻器的輸入電源的前邊接入一個空氣開關用來實現變頻器，電擊的過載過流保護，空氣開關容量要按照電機額定的電流進行確定。還要在工頻的電源下面連接相同的空氣開關用來實現電機過載過流保護。在PLC的220V輸入電源前也需要接入空氣開關，保證PLC的正常運行。所有的接觸器選擇都需要按照電動機容量適當的進行選擇。

對于有工頻和變頻兩種不同狀態電動機，要保證變頻的輸出電源的拖動和工頻電源的拖動情況下的電機旋向一致，否則在工頻和變頻切換的過程當中會產生很大的轉換電流，致使轉換無法成功。在變頻器起動、運行和停止操作中，必須用觸摸面板的運行和停止鍵來操作，不得以主電路的通斷來進行。

6 結束語

基于PLC的煤礦空壓機的控制效果對于煤礦等工業生產具有重要的影響。通過對其控制系統的設計于升級，其控制系統硬件電路設計合理，系統整體的工作性能較好，軟件的工作性能比較可靠。系統可以很好的對礦山等一些場所空壓機組的工作狀態參數實時的進行檢測和報警，而且可以自動進行保護。空氣壓縮機的控制系統升級改造提升了空氣壓縮機自動控制的水平，對于礦山的生產效率的提升也具有極為重要的意義。

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[2]陳建宏.空壓機無人值班控制系統PLC設計[J].煤礦機械，2014（3）.

[3]張培友.空壓機智能監控節能改造研究[D].濟南：山東科技大學，2013（15）.

TH45

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1004-7344（2016）06-0239-02

2016-2-10