基于HMI的空氣壓縮機控制系統設計

郭改琴

（楊凌職業技術學院，陜西 楊凌 712100）

空氣壓縮機是一種用于壓縮氣體的設備，簡稱空壓機，主要用在電力、化纖、輕工、冶金等行業。在電力行業空壓機主要用在儀表、除灰和水處理系統中，在水電站主要用在動力設備上。

空壓機常采用常規繼電器的控制方式，結構簡單、造價低廉，在電力行業中得到了廣泛的應用。但這種控制方式的缺點也很多，首先，控制方式單一，啟動和停止只能在現場進行；其次，空壓機在運行時的轉速、電壓、電流、功率等運行實時參數和狀態，都必須到現場測試后才能獲得；最后，在操作時，因為一次側電壓高、電流大，直接啟動和停止、在二次側抄錄數據時都存在一定的安全隱患[1]。

空壓機在啟動時，先要打開冷卻水系統，讓電機在空載狀態下運行一段時間后自動切換到負載運行狀態，在切換的同時要關閉無負荷電磁啟動閥，等到壓力達到設定要求時，空壓機自動停止的同時打開無負荷電磁啟動閥，關閉冷卻水電磁閥。因用氣壓力要求，空壓機需要頻繁的啟動和停止，這樣不但造成設備損耗過大、壽命減少、而且降低了空壓機的工作效率。對于大型的空壓機控制系統，還會配置備用空壓機，防止工作空壓機損壞或系統壓力急劇下降時，多臺空壓機能同時啟動，當空壓機工作異常時還要有報警功能。如此復雜的控制過程如果采用常規繼電器控制，需要的設備很多，控制回路復雜、運行還不可靠[2]。PLC 控制技術的出現，能很好的解決以上問題，接線簡單，可靠性高；配套齊全、功能完善、實用性強；系統的設計簡單，維護方便，容易改造；體積小、重量輕；能耗低易學易用，深受工程技術人員的歡迎[3]。

觸摸屏即人機界面（簡稱HMI）經過了近半個世紀的發展，因其有操作直觀、富有趣味性，不易誤碰，耐用度高，工作可靠等優點，在工業和商業中已普遍使用。用人機界面HMI 通過PLC 控制現場設備，可以達到良好的效果。

一、系統總體設計方案

本項目設計一套中型容量水電廠的壓縮空氣系統，因為用氣量較大，該系統安裝了兩臺螺桿空壓機，一臺作為正常工作使用，另外一臺作為緊急緊急情況使用[8]，由于空壓機電機的功率比較大，啟動電流會造成供電線路瞬時的電壓下降影響其他設備正常運行，因此該空壓機啟動時先是采用星型接法，電機每個繞組上所加的電壓是220V，經過10s的延時后轉換成三角形接法，此時每個繞組上所加電壓是380V，電機啟動時的電流是額定電流的1/3，啟動力矩也只有全壓啟動力矩的1/3[5]。

在運行過程中該系統應該具備以下功能：在空壓機的啟動和停止過程中，自動關閉或者打開無負荷電磁閥，對于水冷式空壓機，還需自動打開和關閉冷卻水泵；當儲氣罐的壓力下降到低氣壓時，工作空壓機自動啟動；當用氣量增大或者管道漏氣時，工作空壓機啟動后，儲氣罐的壓力不升高反而降低，當氣壓下降到過低氣壓時，備用空壓機自動啟動，并發出報警信號；當儲氣罐的壓力上升到額定氣壓值時，兩臺空壓機自動同時停止運行；當壓力過高或空壓機出口溫度過高時發出報警信號[6]。

用昆侖通態的人機界面（HMI）發出主控信號，可編程控制器三菱FX3U系列PLC作為控制器控制主回路設備[7]。人機界面包括啟動、停止和急停按鈕，啟動、停止和急停信號燈，無負荷電磁閥、冷卻水電磁閥啟動和停止信號燈，備用空壓機啟動報警信號燈，系統氣壓過高報警信號燈。系統總體設計方案如圖1所示。

二、主回路設計

根據本項目的運行要求,設計的系統主回路如圖2中的（a）所示。當空氣開關QF 閉合后，若交流接觸器的主觸頭KM和KMY同時閉合，則電動機在低速工況下運行；若KM 和KM△同時閉合，則電動機在高速工況下運行[8]。在空氣開關下方裝設熔斷器FU，在主觸點KM 的下方裝設熱繼電器FR。主電路的設備清單如表1所示。

表1 主電路設備清單

三、控制回路設計

控制回路設置了按鈕控制和HMI 控制兩種方式。共包含時間繼電器切換Y-△降壓啟動控制回路、PLC 控制回路設計、PLC 程序編寫、HMI 組態設計、HMI 與PLC 連接和調試運行共6 各方面的設計[9]。

（一）時間繼電器切換Y-△降壓啟動控制回路

時間繼電器切換Y-△降壓啟動控制回路如圖2中的（b）所示。工作原理如下：合上空氣開關QF后，按下啟動按鈕SB1，時間繼電器KT 和交流接觸器KMY（星型運行線圈）的線圈同時吸合帶電，KMY常閉觸點斷開閉鎖KM△回路；KMY常開觸點閉合使KM 線圈得電吸合，KM 常開觸點閉合自鎖；時間繼電器計時的同時，KM 和KMY 的主觸點閉合，電動機實現星型連接降壓啟動，HL1 和HL2 同時點亮；當時間繼電器計時達到設定的時長，KT的延時斷開觸點打開，KMY 的線圈失電，KMY 常開觸點斷開，HL2 熄滅；KMY 常閉觸點閉合，使KM△線圈得電，HL3 點亮，其主觸點閉合實現三角形方式運行；KM△的常閉觸點斷開，防止了誤操作按下啟動按鈕造成短路事故。按下停止按鈕SB2，接觸器KM和KM△的線圈失電，觸點復位，電動機停止運轉，HL3熄滅。

（二）PLC控制回路設計

根據空壓機的運行要求，選用三菱FX3u-32M（R）控制模塊,系統設置手動和自動控制兩種模式，自動運行時通過壓力傳感控制系統啟與停。

在兩個輸入端L 和N 之間接220V 交流電源，采用漏型接法要把24V 和S/S 短接。啟動SB1 接X0，停止SB2 接X1,急停SB3 接X2，熱繼電器常閉觸點接X4，四個輸入信號的另一端接公共端OV。

PLC 的外部輸入端子如果接按鈕的常開觸點，當PLC 上電后，對應端子內部的線圈和24V 電源不能形成回路，程序里的常開觸點就是斷開狀態，程序里的常閉觸點就是閉合狀態；如果把連接常開觸點的按鈕按下，則對應端子內部的線圈和24V 電源就形成了回路，程序里的常開觸點變為閉合狀態，常閉觸點變為斷開狀態。PLC 的外部輸入端子如果接按鈕的常閉觸點，當PLC 上電后，對應端子內部的線圈和24V 電源就形成回路，程序里的常開觸點變為閉合狀態，程序里的常閉觸點變為斷開狀態；如果把連接常閉觸點的按鈕按下，則對應端子內部的線圈和24V 電源不能形成回路，程序里的常開觸點變為斷開狀態，程序里的常閉觸點變為閉合狀態。所以PLC 的外部接線時，啟動和停止按鈕都接常開觸點，程序里的啟動和停止按鈕分別接常開和常閉觸點；急停按鈕外部接線時接常閉觸點，程序里的對應觸點就接常開觸點。

PLC 的輸出端接220V 交流電源，共有14 個輸出端子，其中包含1個時間繼電器，3個交流接觸器和11個指示燈。Y1輸出端子連接的星型啟動交流接觸器（KMY）下方串聯KM△常閉觸點，Y2輸出端子連接的三角形運轉交流接觸器（KM△）下方串聯KMY常閉觸點，實現星型和三角形運轉時的互鎖功能，星型方式運轉10S 后自動切換為三角形運轉。停止狀態接紅色指示燈，運行狀態接綠色指示燈，急停接黃色指示燈，熱繼電器動作、備用空壓機啟動、系統氣壓過高都接黃色指示燈。PLC 的外部接線圖如圖2（c）所示。

（三）PLC程序編寫

用三菱GX Works2 軟件編寫的部分程序截圖如圖3所示。用輸出Y1 來驅動1#空壓機運行指示燈；用輸出Y2來驅動2#空壓機運行指示燈；用常開觸點X2 驅動急停信號燈Y10；用電機過載X4 驅動電機過載報警信號Y15；用X3常閉觸點復位報警信號；用氣壓高時的X5 驅動系統氣壓高報警信號。程序的I/O分配表如表2所示。

表2 PLC控制空壓機的I/O分配表

當系統氣壓低或者手動啟動空壓機，空壓機電機在星型狀態下運行，冷卻水電磁閥要打開，10 秒后轉為三角形運行方式，無負荷電磁啟動閥關閉。當系統氣壓達到設定值時空壓機停止運行，冷卻水電磁閥關閉，無負荷電氣閥打開。當負載過高時，熱繼電器動作，發出電機過載報警信號，人工復位信號后繼續運行。

（四）HMI設計

HMI 是Human Machine Interface 的縮寫，簡稱人機界面。它是用戶和系統之間進行信息交換的橋梁，實現信息內部形式與人類可以接受形式之間的轉換。本方案選用型號為昆侖通態（MCGS）的TPC7062Ti觸摸屏，設計的組態畫面如圖4所示。

該人機界面主要包括啟動按鈕、停止按鈕、急停按鈕、報警復位按鈕，空壓機低速運行指示、高速運行指示、1#空壓機啟動信號燈HL1、1#空壓機停止信號燈HL2、2#空壓機啟動信號燈HL3、2#空壓機停止信號燈HL4、急停信號燈HL5、無負荷電磁閥啟動信號燈HL6、無負荷電磁閥關閉信號燈HL7、冷卻水電磁閥啟動信號燈HL8、冷卻水電磁閥關閉信號燈HL9、熱繼電器動作信號燈HL10、系統氣壓過高報警信號燈HL11。按下啟動按鈕后空壓機先是星形連接低速運轉，達到設定時間后自動切換為三角形連接運轉。當氣壓達到壓力上限時空壓機自動停止，當壓力超過上限壓力時，在觸摸屏上發出壓力過高報警信號。直接按下停止按鈕，空壓機停止運行；空壓機運行過程中按下急停按鈕，兩臺空壓機停止運行，當按下報警復位按鈕后，空壓機繼續運行；當系統壓力超過壓力上限時，發出壓力過高報警信號，按下復位按鈕后報警解除。觸摸屏界面上的兩個電機圖標里的指示燈也會隨著電機的運行狀態不同而發生變化。

（五）HMI與PLC的連接

要使用觸摸屏通過PLC控制電動機，首先必須把電腦里設計的組態界面上傳到觸摸屏里，通常采取網線的方式傳輸，參數設置可分為三個步驟。首先在“我的電腦”里查找電腦的IP 地址（例如192.168.1.10）。其次設置觸摸屏的IP 地址，給觸摸屏通電后，用手指快速單擊觸摸屏，在彈出的界面里點擊“系統維護”，再點擊“設置系統參數”，在對應的地址欄輸入觸摸屏的IP 地址（例如192.168.1.9）。最后把電腦里設計好的界面傳到觸摸屏里，先下載工程并進入運行環境，選連接方式（ICP/IP 網絡），目標機名輸入地址：192.168.1.9，點擊通訊測試，工程下載，然后啟動運行即可。

觸摸屏里的啟動、停止、急停、報警復位四個按鈕在PLC 程序里分別用M0、M1、M2、M3 表示，并聯在程序相應按鈕兩端。

（六）調試運行

1.用RS485通訊線把編寫好的PLC程序下載到三菱FX3U-32M(R)模塊里，用一根普通網線把組態界面下載到觸摸屏里，用一根RS485通訊線把觸摸屏和PLC模塊連接在一起。

2.先給PLC 程序里下載一個空程序，逐個測試PLC 外部接線是否正確。然后再把編寫好的程序下載到PLC里，分別按下啟動按鈕、停止按鈕、急停按鈕和復位按鈕，查看空壓機是否按照要求動作，按下熱繼電器上可按可拉的手動測試按鈕，查看是否有報警信號，按下復位按鈕，查看報警是否解除。

3.按下觸摸屏上四個輸入按鈕，查看PLC 的外部輸出和空壓機是否按照設計要求動作。

空壓機工作過程比較復雜。通過對系統總體方案設計、PLC模塊外部接線圖的設計、PLC程序的編寫、組態界面的設計、HMI和PLC連接時地址的設定和設備的運行調試，實現了對空壓機系統的升級改造。經過反復的調試運行，HMI操作簡單、發出的信號穩定、空壓機運行正常、安全可靠，達到了預期的設計要求，具有較強的使用價值。