基于CAN總線的空壓機組電氣自動控制系統設計

唐一鶴

（常德市第一人民醫院，湖南常德 415000）

0 引言

空壓機是用來壓縮氣體的一種裝置。由于工業生產技術的發展，空氣壓縮機在多個領域和行業中得到了廣泛的應用，并成為一些行業不可或缺的關鍵設備[1]。空氣壓縮機一旦運行不穩定或出現故障，將直接影響到企業的生產過程，造成一定的經濟損失。在企業生產自動化水平不斷提高的今天，需要一個穩定、可靠、有效、合理的控制系統，對空壓機系統進行實時監控、控制、故障診斷、維護，有效保障空壓機安全運行，為企業生產提供優質、穩定的動力，在一定程度上節省能源，降低企業生產成本[2]。采用CAN總線對空壓機組電氣自動控制系統進行了優化設計，以提高空壓機組電氣自動控制的效果。

1 空壓機組電氣自動控制硬件系統設計

1.1 PLC控制器

系統以歐姆龍公司內置60個I/O接線端子的CPM2A-60CDR PLC為核心，具有運算精度高，響應速度快，輸入輸出點豐富，支持模擬量輸入、輸出，易于擴展I/O點，并可利用串行接口和上位機進行通信[3]?？諝鈮嚎s機起動、停止的邏輯控制，以及給水泵、揚泵、冷水塔和儲氣罐的排污等功能。

1.2 變頻器

選用90/110 kW配接電機，178 A、6440-2UD38-8FA0、MM440、380 VAC、三相PID調節器、西門子變頻器和制動裝置MM440-9000/3a。西門子MM440變頻器主要用于異步旋轉電機，MM440變頻器主要分為V/f控制和矢量控制兩大類。一個單獨的電壓設定值的V/f工作方式可在MM440變頻器中實現。采用此工作方式，變頻器輸出頻率和電壓不再捆綁，可分別設置，使變頻器能在輸出頻率不變的情況下，接收PLC發出的電壓控制信號，并自動調整其電壓輸出值。

1.3 CAN總線控制芯片

選用SJA1000作為CAN總線的控制芯片，SJA1000是一種基于I/O系統的單片機。在電路中，SJA1000是一個總線接口芯片。CAN控制模塊主要包括界面管理邏輯、發送與接收緩沖區、接收濾波、位時序邏輯和故障管理邏輯。

2 空壓機組電氣自動控制系統軟件功能設計

2.1 自動采集空壓機組運行數據

圖1為空氣壓縮機系統組成結構。根據圖1可以得出空壓機的基本工作模式與流程，利用PLC工控機實時采集空壓機的工作參數，并以此作為電氣自動控制的初始數據。

圖1 空氣壓縮機系統組成結構

2.2 CAN報文的發送和接收

在CAN總線中，MAC子層采用了CSMA/CA非破壞性總線仲裁協議機制。這個仲裁協議有兩層含義：第一，具有最小標識符值的信息幀具有最高優先級，顯性位將覆蓋隱性位，其結果就是在總線上顯示顯性位，其他位可以繼續發送，而不會損壞；第二，CAN協議只能解決對已發生沖突的優先級選擇，只有其中的一個才能完整地發送，而其他已退出發送的信息幀則不能保證下次成功發送。

2.3 計算空壓機排氣量與氣罐容積

由于空壓機機組裝有冷卻器，額定壓力為0.9 MPa，充氣后溫度上升約2～5℃，因此按等溫熱充氣計算，空壓機的初始壓力取為大氣壓0.1 MPa。在已知儲氣罐容積的情況下，可按式（1）計算空壓機排氣量：

式中，t為充氣時間，Vg為儲氣罐容量，Px1和Tx1分別為吸氣的壓力和溫度，而Pg1、Pg2和Tg1、Tg2分別為充氣開始時和終止時儲氣罐內空氣壓力和溫度。根據空壓機排氣量與氣罐容積的計算結果，確定空壓機組電氣的自動控制量。

2.4 實現空壓機組電氣自動控制

在CAN總線環境下，結合空壓機組的電氣運行原理和控制量計算結果，分別從電氣速度、啟動、停止等多個方面，實現空壓機組電氣自動控制。

空氣壓縮機的同步轉速由空氣壓縮機的磁極數和供電頻率決定。當用Ns表示轉速時，則有Ns=。

其中，參數η為空壓機組的磁極個數，f為電源頻率。若將同步轉速Ns為基準，空壓機的轉差率S=。

其中，N和Ns分別為空壓機組轉速和同步轉速，S為轉差率。由此可以看出，在參數f、s中任意一個參數都可以改變電機的轉速，就是異步電機的調速控制目的。所以，如果有一臺能隨意改變頻率的電源，就可以對電機進行速度控制。

空氣壓縮機以自動方式完全由啟動/停機按鈕控制，空壓機在停機狀態下，根據備用選擇邏輯順序及相應的聯動定值進行自動停機控制。CAN總線也可用于控制空氣壓縮機的程序自動移除、備用位置自動選擇、人工選擇和備用移除。

3 系統測試

為了測試設計的基于CAN總線的空壓機組電氣自動控制系統的控制效果，設計系統測試實驗，并通過與傳統控制系統的對比，體現出設計控制系統的應用優勢。在該測試環境下將設計的控制系統對應的程序代碼導入到實驗環境中，得出主控制運行界面。

為了形成實驗對比，利用本文系統與傳統系統和文獻[3]中系統優化改造結果作為實驗的兩個對比系統，以相同的方式導入到系統測試環境中。從空壓機組轉速方面得出反映控制誤差的測試結果，如表1所示。

表1 空壓機組電氣自動控制系統控制誤差測試結果 r/min

從表1可以看出，相比于兩個對比控制系統，在設計的控制系統下，空壓機組的實際轉速值更加接近設置的轉速值，即控制誤差更小，控制效果更優。

4 結束語

充分利用CAN總線的特點，降低了傳輸開銷。將CAN總線應用到空壓機組電氣自動控制系統中，間接地提升系統的抗干擾能力，并從硬件和軟件兩個方面保證控制系統運行的可靠性，從而保證空壓機組的運行效率。