基于PLC的船用40MPa高壓空壓機控制系統設計

朱 芳

(國營安慶海燕機械廠，安徽 安慶 246001)

1 引言

高壓空壓機是艦船重要的輔助設備，產品的質量直接影響到艦船的供氣保障。隨著海軍裝備的快速發展，40 MPa高壓氣源需求日趨增大，對艦船用高壓空壓機提出了越來越高的要求，體積小、重量輕、噪聲低、振動小、可靠性高已成為空壓機技術發展的主趨勢[1]。傳統的空壓機控制方法自動化程度低，操作維護人員的工作量大，對空壓機的壽命有很大的影響[2]。為滿足新造及改換裝高壓空氣系統供氣需求，設計一套安全可靠的控制系統，保證高壓空壓機組性能穩定可靠，具有現實意義。

本設計應用西門子S7-200系列PLC和TD 400C文本顯示界面，通過軟啟動器啟動空壓機，采集處理溫度、壓力等數字量、模擬量信號，通過RJ45以太網通信接口上傳至遠程監控臺，實現空壓機各種保護、報警、監控功能，同時利用文本顯示器實現監控界面與PLC之間的數據共享，實現更好的人機交互，保證空壓機穩定可靠，全面提升裝備的充氣保障能力[3]。

2 船用高壓空壓機控制功能

自主研發的某船用40 MPa高壓空壓機由空壓機主機、干燥裝置、冷卻水泵、污水收集裝置、浮筏隔振裝置和控制箱等組成，其作用是提供高壓氣源。該機組采用立式星型結構、一體化設計，結構緊湊、振動低、噪聲小，性能穩定可靠。

其控制箱集中了排氣溫度過高、滑油壓力過低、冷卻水壓力過低、滑油溫度過高、電機和控制系統出現短路或過載時自動停機報警；控制箱配置文本顯示器，機組油壓、水溫、水壓、末級排氣壓力傳感器采集模擬信號，由模擬量模塊轉化為數字信號，實時顯示并監測；具有遠程/就地、手動/自動控制，油污定時自動泄放以及機組啟動、停機時自動泄荷等功能，同時又與冷卻水泵、干燥裝置、艙室風機等連鎖控制，具有自動狀況下開機先啟動水泵，停機時延時停水泵功能；空壓機組啟動與本艙通風風機啟動器連鎖控制(滿足如下工況：正常情況下，先啟動風機，再啟動空壓機組，若風機未啟動，空壓機組不啟動；運行過程中，風機意外停機，空壓機組報警、停機；特殊情況下，風機未啟動，需空壓機組啟動時，空壓機組可手動強制啟動)；具有滑油預熱功能，油溫低于5 ℃，無法正常啟動機組，需手動開啟滑油加熱器，油溫超過20 ℃，自動停止加熱，應急工況下，可手動強制啟動機組；油加熱與空壓機具有互鎖功能，空壓機運行時，機組無法進行油溫加熱；油溫加熱時，機組無法正常開機。

3 船用高壓空壓機控制系統設計

3.1 主電路設計

主電路的控制對象是電動機，針對電動機有電流顯示、電流電壓過載、短路等保護，以及電動機的啟動和停止控制。該高壓空壓機電機功率90 kW，額定工作電流200 A，因船上供電變壓器容量有限，需采用降壓啟動方式，以減小啟動沖擊電流對電網的沖擊。常用的降壓啟動有轉子串電阻、自耦變壓器、頻敏變阻器、星三角降壓、軟啟動和變頻器啟動等方法。而空壓機啟動常用的方法是星三角降壓、變頻器和軟啟動。

該船用40 MPa高壓空壓機額定工作電流200 A，啟動電流要求≤1000 A，控制箱外形尺寸(長×寬×高)≤550 mm×460 mm×750 mm(含底板、隔振器，壁掛安裝)，其啟動電流和外形尺寸都十分受限。星三角降壓啟動的啟動電流是運行電流的5～7倍，無法滿足啟動電流的要求；變頻器雖然可以平滑的啟動，但外形尺寸過大，價格昂貴，尤其是變頻器內有交流逆變和整流裝置，無法滿足CE101、CE102電源線傳導發射和RE101、RE102磁場、電場輻射發射等電磁兼容要求；軟啟動器剛好填補了星三角降壓和變頻器在功能實用性和價格之間的鴻溝，在市場上得到廣泛應用[4]。因此，綜合以上各種啟動方式優缺點，選用施耐德ATS48C17Q軟啟動器啟動電機，通過設定軟啟動器上的R3繼電器為電動機過載熱報警，保護電動機。其電路圖如圖1所示。

圖1 主電路圖

軟啟動器只在啟動過程中工作，啟動結束后退出運行，通過軟啟動器上的R2繼電器輸出切換到旁路接觸器KM2后，軟啟動的可控硅停止工作，但軟啟動的互感器還在工作，保護功能依舊在。

3.2 控制電路設計

該高壓空壓機需要控制的參數較多，若采用傳統的繼電器控制，硬件電路很多，尺寸不允許，安裝接線工作量大，后期檢修不方便，且參數顯示功能無法實現[5]，因此本控制系統采用S7-200 PLC、TD 400C文本顯示器、模擬量模塊和RJ45通訊模塊。其硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 控制系統的硬件結構框圖

根據空壓機實際工作過程編制了輸入、輸出點的地址，其主要地址編號見表1。

表1 輸入、輸出點分配表

控制系統通過采集水溫、水壓、油壓、末級排氣壓力傳感器模擬信號，由模擬量模塊轉化為數字信號，通過TD 400C文本顯示器實時監測并顯示，并可以對報警值、排污時間進行參數設置，減少了柜內計時器、中間繼電器、時間繼電器等元器件的數量，通過對文本顯示器的功能按鍵進行定義，減少控制箱面板操作按鈕數量、PLC的輸入、輸出信號數量，提高了空間利用率，滿足了控制箱的外形尺寸要求。操作界面友好，操作管理方便，操作人員可以查看空壓機的實時數據，故障報警信息，避免了定時巡檢記錄的繁瑣工作，大大提高了工作效率和管理水平。

3.3 軟件程序設計

控制系統具有手動、自動兩種控制方式，控制空壓機等設備的起動和停止。具有潤滑油加熱，啟、停機自動泄放、卸荷，運行中定時排污；對排氣壓力、排氣溫度、油溫、油壓、冷卻水壓力以及電機負載進行監控，實現自動報警和保護停機。根據空壓機組的控制要求，各設備間的起停控制順序，繪制了啟動運行控制流程圖如圖3所示。

圖3 啟動運行控制流程

考慮空壓機曲軸箱和電機均采用水冷方式，程序設計時，開機先通水，檢測水壓達到后空壓機方正常開機；停機延時斷水，以保證機組充分冷卻，自動狀況下水泵與空壓機一鍵聯鎖啟動。各設備聯鎖啟動PLC梯形圖如圖4所示。

圖4 各設備聯鎖啟動PLC梯形圖

空壓機啟動前先檢測水壓，水壓未達到報警；空壓機啟動后建立油壓需要一定時間，因此設計T46定時器延時10 s監測油壓是否建立；空壓機正常運行過程中，水壓、油壓可能由于船只的傾斜搖擺等因素存在一定的擾動，為避免頻繁的誤報警導致空壓機停機，對水壓報警信號設計T49定時器延時處理，對油壓報警信號設計T46定時器延時處理若水壓或油壓持續10 s低于報警值，自動報警并停機，檢查油、水管路是否堵塞。油壓、水壓故障報警PLC梯形圖如圖5所示。

圖5 油壓、水壓故障報警PLC梯形圖

4 結語

該40 MPa空壓機采用立式星型結構、一體化設計，結構緊湊、振動低、噪聲小，通過了1200 h可靠性試驗、環境適應性與電磁兼容性試驗。整個試驗過程中，機組運行平穩、無任何故障。機組的研制成功，突破了傳統空壓機的臥式結構設計理念，各項性能和功能指標達到了國內領先水平，促進了空壓機行業的技術進步。配套的控制系統采用可編程控制器，體積小，功能完善，操作簡便，投入運行來性能一直穩定可靠，故障率低，維修量小，自動化程度高，大大減輕了運行和維護人員的工作量，極具推廣價值。