基于PLC的空壓機自動控制系統(tǒng)的設(shè)計

李國棟

聊城市技師學(xué)院，山東聊城 252000

1 應(yīng)用價值及意義

4L-20/8 型活塞式空氣壓縮機是一種利用電動機將氣體在壓縮腔內(nèi)進(jìn)行壓縮并使壓縮的氣體具有一定壓力的設(shè)備。由于結(jié)構(gòu)原理的原因，空壓機自身存在著明顯的技術(shù)弱點。為此，本文引入PLC 及變頻器進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，全面提升系統(tǒng)性能。

2 硬件選型

2.1 PLC 選型

1）基本單元

本系統(tǒng)所使用的可編程序控制器采用日本三菱公司生產(chǎn)的FX2N -128MR-A1 型PLC。

2）擴展單元

N0～N5 為FX2N-8AD 型模擬量輸入模塊，每個模塊有8 路模擬量輸入通道，編號為CH1～CH8。共計6×8=48路通道，供47 路模擬信號輸入使用。緩沖寄存器的編號為0#BFM～31#BFM，各路通道所對應(yīng)的緩沖寄存器依次為5#BFM～12#BFM，用以存放采樣數(shù)據(jù)，通過PLC 的FROM 指令讀取緩沖寄存器，并將所讀取的數(shù)據(jù)寫入PLC的數(shù)據(jù)存儲單元，至此，便完成了A/D 轉(zhuǎn)換。其中，每個特殊功能模塊占用8個I/O 點，共占用6×8=48 個X 輸入點。

N6 為FX2N-8DA 型模擬量輸出模塊，有8 路模擬量輸出通道，編號為CH1～CH8。共計1×8=8 路通道，供6 路模擬信號輸出使用。各路通道所對應(yīng)的緩沖寄存器依次為5#BFM～12#BFM，用以存放通過PLC 的TO 指令寫入緩沖寄存器的輸出信號，至此，便完成了信號的D/A 轉(zhuǎn)換。其中，每個特殊功能模塊占用8 個I/O 點，共占用1×8=8 個Y 輸出點。

N7為PLC的PID過程控制模塊，每個模塊可控制多個閉環(huán)，本系統(tǒng)的PID 控制對象有6 個，故本模塊只需通過PLC 程序中的6 個PID 指令實施控制即可，他們是：VVVF 變頻器的4-5端之間4mA～20mA 輸出控制，5 個控制主機進(jìn)水回路的電調(diào)閥。

2.2 變頻器選型

本系統(tǒng)所使用的變頻器采用日本三菱公司生產(chǎn)的FRF740-S450K-CHT，450kW，3 相380V 三菱變頻器；

2.3 傳感器的選型

本系統(tǒng)運行中一共采集了11 種信號，5 臺空壓機加1 個風(fēng)包共計47 路模擬輸入。

1）壓力傳感器的選型

為便于安裝并兼顧精度，本系統(tǒng)采用了性能優(yōu)良的壓力傳感器MLH016BSB01B。

2）溫度傳感器的選型

現(xiàn)場的溫度信號范圍為0°～160°，所以溫度傳感器采用系統(tǒng)原有的PT100 標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度傳感器。PT100 是鉑電阻溫度傳感器，它適用于測量一60℃到+400℃之間的溫度。

2.4 電調(diào)閥的選型

為有效地控制空壓機主機進(jìn)水壓力，本系統(tǒng)對器采用了PID 控制。設(shè)備所選電調(diào)閥采用北京偉江源科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的丹佛斯設(shè)計電動調(diào)節(jié)閥。

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)共有五臺同型號空壓機，通過標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器和熱電阻將空壓機的壓力和溫度信號以標(biāo)準(zhǔn)4mA～20mA 信號和電阻信號傳送給PLC 的模擬輸入模塊，實現(xiàn)模擬信號的采集。現(xiàn)場的開關(guān)量信號通過電纜直接傳送給PLC 的數(shù)字輸入模塊。

PLC 對信號進(jìn)行采集、變換和存儲后，通過SC-09 編程電纜與上位機通訊，將變換后的信號送到PC 機進(jìn)行實時顯示。同時，PC 機將設(shè)置的系統(tǒng)運行參數(shù)傳送給PLC。PLC 對采集的風(fēng)包壓力與設(shè)定值進(jìn)行比較，通過智能控制運算后將控制信號送給變頻器，控制變頻器的啟動、運行和停止。

3.2 PLC 程序設(shè)計分析

本系統(tǒng)共計12路開關(guān)輸入，42路開關(guān)輸出，47路模擬輸入，6 路模擬輸出。

1）對空壓機的控制

（1）首先讀入風(fēng)包壓力信號，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，判斷是在哪個范圍。風(fēng)壓若處在正常范圍，則第一臺工頻，第二臺變頻；若低于正常范圍，則第一臺、第二臺工頻，第三臺變頻。若高于正常范圍，則只啟動第一臺變頻。8 小時以后，讀入風(fēng)包壓力信號，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，判斷是在哪個范圍。風(fēng)壓若處在正常范圍，則第四臺工頻，第五臺變頻；若低于正常范圍，則第三臺、第四臺工頻，第五臺變頻。若高于正常范圍，則只啟動第四臺變頻。再過8 小時，在從第一、二、三臺開始，以次循環(huán)往復(fù)，保證了各臺機器的充分休息與散熱。

（2）在程序確定工作機器臺數(shù)及確保輪換的同時，程序還要根據(jù)讀入的風(fēng)壓信號來進(jìn)行PID 智能控制，確定變頻器的給定頻率。

3）對電調(diào)閥的控制

變送器讀入主機進(jìn)水壓力后，PLC 將其與設(shè)定值比較，若在安全范圍內(nèi)，則進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)到目標(biāo)值。反之，則進(jìn)行報警停機。

4）對前6 路模擬信號的控制

第一、二項作為第0s 的啟動條件，與設(shè)定值進(jìn)行比較后，若在正常范圍內(nèi)，則允許啟動。反之，報警停機。第三項與設(shè)定值進(jìn)行比較后，若在正常范圍，則5s 后投入斷電停機回路。第四、五、六項設(shè)定值進(jìn)行比較后，若在正常范圍，則180s后投入斷電停機回路。

5）VVVF 變頻器的PID 控制：VVVF 變頻器的4-5 端之間4mA～20mA 電流輸入采用的是PLC 的PID 模塊控制。當(dāng)壓力傳感器檢測到風(fēng)包壓力確定空壓機工作臺數(shù)的同時，進(jìn)行PID 運算，PLC 的PID 模塊輸出4mA～20mA 電流至變頻器的4-5頻率調(diào)節(jié)端，通過調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率來改變空壓機驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)包壓力至標(biāo)準(zhǔn)值（0.8mp）的目的。

6）主機進(jìn)水壓力電調(diào)閥的PID 控制

空壓機的主機進(jìn)水壓力調(diào)節(jié)采用PLC 的PID 模塊控制。當(dāng)壓力傳感器檢測到主機進(jìn)水壓力在0.4MPa～1.2MPa 之間時，通過PID 運算，PLC 的PID 模塊輸出4mA～20mA 電流至電調(diào)閥，通過調(diào)節(jié)閥門的開度來改變進(jìn)水量，以達(dá)到調(diào)節(jié)進(jìn)水壓力的目的。

4 現(xiàn)場安裝與調(diào)試

為了檢驗系統(tǒng)能否在工業(yè)現(xiàn)場正常的工作，發(fā)現(xiàn)并改正設(shè)計和安裝中產(chǎn)生的錯誤，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，有必要進(jìn)行調(diào)試。現(xiàn)場調(diào)試主要包括PLC 程序的調(diào)試及運行、大電機變頻一工頻切換調(diào)試、PID 參數(shù)調(diào)整以及監(jiān)測軟件的調(diào)試及運行。

實踐證明，該方案自動化程度高，節(jié)能效果顯著，實用性好。

[1]陸曲，楊維明，何進(jìn)，李倩，郭國濤，周民.基于PLC的空壓機冗余控制系統(tǒng)設(shè)計.信息通信[J].