基于可編程序控制器的壓縮機(jī)堵轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)臺(tái)報(bào)警系統(tǒng)

□ 郭春陽(yáng) □ 周金偉 □ 蘇以元 □ 林劍波

1.廣東白云學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 廣州 510080 2.中國(guó)電器科學(xué)研究院有限公司 廣州 510800

1 設(shè)計(jì)背景

在工業(yè)生產(chǎn)中,低溫環(huán)境多由制冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。壓縮機(jī)是制冷循環(huán)系統(tǒng)的核心,一旦出現(xiàn)故障,不僅會(huì)使制冷系統(tǒng)受到損害,而且會(huì)造成環(huán)境污染[1]。壓縮機(jī)在投入使用前,需要按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行堵轉(zhuǎn)、耐久性、制冷量等性能試驗(yàn)[2]。壓縮機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),受到外界因素影響導(dǎo)致轉(zhuǎn)子卡死,轉(zhuǎn)速驟降為零,引起電流瞬間升高,此時(shí)的電流就是堵轉(zhuǎn)電流。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)有三種:初級(jí)耐久性試驗(yàn)、次級(jí)耐久性試驗(yàn)及缺相試驗(yàn)。壓縮機(jī)只有通過(guò)以上三種試驗(yàn),方可證明堵轉(zhuǎn)性能合格。傳統(tǒng)壓縮機(jī)堵轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)臺(tái)采用繼電器控制系統(tǒng),繼電器控制系統(tǒng)工作效率低,易出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象[3-6],無(wú)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄功能,無(wú)法在監(jiān)測(cè)到報(bào)警值后自動(dòng)停機(jī)。以上三種不同類(lèi)型的試驗(yàn)均需設(shè)定壓縮機(jī)保護(hù)條件,防止由于系統(tǒng)故障引起試驗(yàn)臺(tái)損壞及壓縮機(jī)堵轉(zhuǎn)引起壓縮機(jī)燒毀,保護(hù)條件一般以過(guò)電流保護(hù)為原則[7]。由于電流表自帶的報(bào)警功能不能分試驗(yàn)類(lèi)別設(shè)置電流報(bào)警值,每一種試驗(yàn)需串聯(lián)三個(gè)電流表至回路中,才可以確保堵轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)臺(tái)的安全性,因此堵轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)臺(tái)需要配置的電流表過(guò)多。

針對(duì)繼電器控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題,筆者設(shè)計(jì)了基于可編程序控制器的壓縮機(jī)堵轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)臺(tái)報(bào)警系統(tǒng)。這一系統(tǒng)以可編程序控制器為核心控制器,壓縮機(jī)回路中所配置的電流表、電壓表、壓力表、溫度表、漏電保護(hù)裝置與可編程序控制器的輸入單元X接口連接,試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)得的數(shù)值輸入可編程序控制器進(jìn)行處理。編寫(xiě)邏輯控制程序,通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同試驗(yàn)類(lèi)型共用配置的電流表、電壓表、壓力表、溫度表,并動(dòng)態(tài)監(jiān)視控制程序的執(zhí)行情況。當(dāng)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生故障報(bào)警時(shí),將報(bào)警信號(hào)輸入至觸摸屏及可編程序控制器輸出單元Y接口。觸摸屏根據(jù)報(bào)警輸入信號(hào)開(kāi)啟相應(yīng)的報(bào)警燈,可編程序控制器根據(jù)報(bào)警輸入信號(hào)發(fā)出停機(jī)指令,自動(dòng)關(guān)停壓縮機(jī)。所有儀表監(jiān)測(cè)到的數(shù)值由可編程序控制器輸出單元Y接口輸入記錄儀,可實(shí)現(xiàn)全部數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集,便于試驗(yàn)數(shù)值分析。

2 壓縮機(jī)堵轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)臺(tái)

壓縮機(jī)堵轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。試驗(yàn)臺(tái)由電源、可編程序控制器控制系統(tǒng)、觸摸屏、電壓表、電流表、溫度表、壓力表、控制開(kāi)關(guān)及漏電保護(hù)器等組成[8]。兩工位測(cè)試平臺(tái)可同時(shí)測(cè)試兩臺(tái)壓縮機(jī),電源為被測(cè)壓縮機(jī)提供50 Hz/60 Hz三相380 V電壓及50 Hz/60 Hz單相220 V電壓。被測(cè)三相壓縮機(jī)每相輸出電流小于120 A,被測(cè)單相壓縮機(jī)輸出電流小于125 A。電流表串聯(lián)至主回路中,電壓表并聯(lián)至主回路中,當(dāng)電流、電壓超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí),信號(hào)傳送至可編程序控制器,可編程序控制器執(zhí)行報(bào)警。壓力表及溫度表串聯(lián)至主回路中,當(dāng)壓力值、溫度值超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí),信號(hào)傳送至可編程序控制器,可編程序控制器執(zhí)行報(bào)警。所有測(cè)試數(shù)據(jù)均在記錄儀中保存。

▲圖1 壓縮機(jī)堵轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)臺(tái)

3 報(bào)警系統(tǒng)

可編程序控制器中的輸入、輸出單元有與檢測(cè)和保護(hù)裝置連接的接口[9-11]。可編程序控制器通過(guò)輸入單元獲取被控制設(shè)備的各種參數(shù),將各種信息電平轉(zhuǎn)換至可編程序控制器所能處理的標(biāo)準(zhǔn)電平。程序執(zhí)行結(jié)果通過(guò)輸出單元傳送至被控制設(shè)備,驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

壓縮機(jī)堵轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)臺(tái)報(bào)警系統(tǒng)如圖2所示,各保護(hù)及監(jiān)測(cè)儀表作為輸入源提供信號(hào)輸入至可編程序控制器,可編程序控制器對(duì)信號(hào)處理后用于控制壓縮機(jī)啟停及試驗(yàn)啟停。觸摸屏采用GP2000型,通過(guò)RS 485通信接口與可編程序控制器連接。電流表、電壓表采用A51000型,溫度表采用SR94型,漏電保護(hù)選擇自帶漏電保護(hù)裝置的斷路器。電流表、電壓表、溫度表及漏電保護(hù)裝置均配有RS 485通信接口,與可編程序控制器的輸入單元X接口連接。可編程序控制器的輸出單元Y接口連接控制開(kāi)關(guān)、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、報(bào)警單元及記錄儀,記錄儀記錄壓縮機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

▲圖2 壓縮機(jī)堵轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)臺(tái)報(bào)警系統(tǒng)

4 觸摸屏報(bào)警界面

可編程序控制器與觸摸屏通過(guò)RS 485通信接口連接,觸摸屏共有兩個(gè)界面。操作界面可以選擇堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)類(lèi)型,設(shè)定試驗(yàn)時(shí)間和試驗(yàn)次數(shù),顯示試驗(yàn)時(shí)間及試驗(yàn)次數(shù)。可編程序控制器通過(guò)Y接口連接的報(bào)警單元包括蜂鳴器和指示燈,檢測(cè)到故障時(shí)發(fā)出聲響并亮燈,但無(wú)法準(zhǔn)確判斷報(bào)警類(lèi)型。對(duì)此,在觸摸屏中單獨(dú)設(shè)置報(bào)警界面,使報(bào)警信號(hào)通過(guò)可編程序控制器輸入觸摸屏,可以直觀地顯示報(bào)警類(lèi)型,根據(jù)報(bào)警類(lèi)型對(duì)故障進(jìn)行處理。點(diǎn)擊聲響停止按鍵,停止蜂鳴器發(fā)出的聲響。當(dāng)所有故障處理完畢后,點(diǎn)擊報(bào)警解除按鍵,可以進(jìn)行堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)。觸摸屏和可編程序控制器的結(jié)合使試驗(yàn)臺(tái)操作簡(jiǎn)便,可以準(zhǔn)確判斷報(bào)警并處理,提高了試驗(yàn)效率。觸摸屏報(bào)警界面如圖3所示。

▲圖3 觸摸屏報(bào)警界面

5 電流報(bào)警

壓縮機(jī)堵轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)臺(tái)電流報(bào)警原理如圖4所示。試驗(yàn)臺(tái)共配置三個(gè)電流表,依次與三相壓縮機(jī)的U相、V相、W相串聯(lián)接入電源。電流表自帶通信接口,與可編程序控制器的X0接口連接。壓縮機(jī)堵轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)臺(tái)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),需要進(jìn)行耐久性試驗(yàn)及缺相試驗(yàn)。在上述兩種試驗(yàn)中,電流表與可編程序控制器結(jié)合使用。在耐久性試驗(yàn)電流升高或降低時(shí),判斷故障并停機(jī)。在缺相試驗(yàn)U、V、W三相中缺少任意一相,且缺相電流為零時(shí),壓縮機(jī)也能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。電流表屬性只存在一個(gè)電流上限值,不允許設(shè)定多個(gè)報(bào)警值。結(jié)合電流的局限性與試驗(yàn)要求,筆者對(duì)輸入、輸出接口進(jìn)行分配,見(jiàn)表1。

▲圖4 電流報(bào)警原理

表1 輸入、輸出接口分配

耐久性試驗(yàn)中,壓縮機(jī)應(yīng)該在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)。這一試驗(yàn)中,壓縮機(jī)的電流值應(yīng)為額定電流值,通過(guò)電流表測(cè)得壓縮機(jī)電流值,并判定試驗(yàn)臺(tái)是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)電流高于所設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí),即可判定測(cè)試系統(tǒng)處于故障狀態(tài),可編程序控制器接收到電流表發(fā)出的過(guò)電流信號(hào),執(zhí)行壓縮機(jī)停機(jī)程序,保護(hù)器斷開(kāi)。電流表串聯(lián)于壓縮機(jī)回路中,在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)電流表檢測(cè)電流不同步,三個(gè)電流表存在檢測(cè)時(shí)間上的細(xì)微偏差,兩個(gè)電流表讀取到電流的時(shí)間偏差長(zhǎng)于0.2 s。這種偏差雖然不影響檢測(cè)結(jié)果,但是由于可編程序控制器掃描速度快于0.2 s,檢測(cè)到一個(gè)電流表有升高值馬上做出過(guò)電流保護(hù)判斷,另外一個(gè)電流表也讀取到升高值時(shí),可編程序控制器已經(jīng)發(fā)出停機(jī)指令。耐久性試驗(yàn)報(bào)警梯形圖如圖5所示。根據(jù)筆者以往試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),選擇0.8 s作為壓縮機(jī)保護(hù)器斷開(kāi)的時(shí)間界限,設(shè)置兩個(gè)電流表持續(xù)0.8 s過(guò)電流時(shí)判斷壓縮機(jī)處于故障。如果0.8 s時(shí)保護(hù)器沒(méi)有斷開(kāi)回路,依然過(guò)電流,那么可以說(shuō)明壓縮機(jī)堵轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)臺(tái)處于故障運(yùn)行狀態(tài)。

▲圖5 耐久性試驗(yàn)報(bào)警梯形圖

缺相試驗(yàn)時(shí),將三相壓縮機(jī)中的U相、V相、W相人為斷開(kāi)一相,剩下兩相連接至壓縮機(jī),人為干擾進(jìn)行堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)。由于缺少一相,壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后電流瞬間升高,保護(hù)器斷開(kāi),兩個(gè)電流表顯示堵轉(zhuǎn)電流值,缺相電流表顯示電流為零,可編程序控制器根據(jù)兩個(gè)電流表電流升高次數(shù)來(lái)記錄壓縮機(jī)堵轉(zhuǎn)次數(shù)。缺相試驗(yàn)梯形圖如圖6所示。

▲圖6 缺相試驗(yàn)梯形圖

斷開(kāi)V相試驗(yàn)時(shí),檢測(cè)U相電流作為故障判斷依據(jù),去掉V相電流所對(duì)應(yīng)的輸入端X10。斷開(kāi)W相試驗(yàn)時(shí),檢測(cè)V相電流為故障判斷依據(jù),去掉W相電流所對(duì)應(yīng)的輸入端X11。同理,斷開(kāi)U相試驗(yàn)時(shí),檢測(cè)W相電流為故障判斷依據(jù),去掉U相電流所對(duì)應(yīng)的輸入端X0。

6 數(shù)據(jù)記錄

可編程序控制器程序編寫(xiě)完成后,進(jìn)行堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)。壓縮機(jī)堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)間比較長(zhǎng),若要正確分析壓縮機(jī)的試驗(yàn)情況,數(shù)據(jù)采集及其重要。傳統(tǒng)的人工采集方式效率低,將電流、電壓、溫度信號(hào)由可編程序控制器輸入記錄儀,進(jìn)而將試驗(yàn)中的所有數(shù)據(jù)保存下來(lái),便于分析。記錄儀采用DX1020型無(wú)紙記錄儀,記錄儀通道分配見(jiàn)表2,可對(duì)電流值、電壓值、溫度值進(jìn)行準(zhǔn)確記錄。所記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖7所示,試驗(yàn)表明約1.5 h內(nèi)電壓值始終保持在220 V±5 V,電流值在壓縮機(jī)運(yùn)行期間保持在120 A±5 A,其間無(wú)報(bào)警出現(xiàn),證明程序可行,未出現(xiàn)誤判斷報(bào)警的現(xiàn)象。

▲圖7 試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

表2 記錄儀通道分配

7 結(jié)束語(yǔ)

壓縮機(jī)堵轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)臺(tái)采用所設(shè)計(jì)的基于可編程序控制器的報(bào)警系統(tǒng),可準(zhǔn)確判斷試驗(yàn)故障,及時(shí)停止試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn),提高壓縮機(jī)堵轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試效率,使壓縮機(jī)保持在良好的工況下運(yùn)行。

[9] 王瑞豐,田夢(mèng)君,陳華.觸摸屏結(jié)合PLC在壓縮機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2006,28(4):58-60.