基于PLC的船用活塞式空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夏文虎，孫永明

（上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海 201306）

基于PLC的船用活塞式空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夏文虎，孫永明

（上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海 201306）

傳統(tǒng)的船用活塞式空壓機(jī)的控制系統(tǒng)，故障多，延遲大，控制不精確，用可編程序邏輯控制器（PLC）對(duì)船舶壓氣機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制具有很多優(yōu)點(diǎn)。給出了壓氣機(jī)控制系統(tǒng)的軟件編程，并利用PLC控制靈活方便的優(yōu)勢(shì)對(duì)輔空壓機(jī)的啟動(dòng)條件進(jìn)行優(yōu)化，使之更適應(yīng)船舶實(shí)際用氣情況的變化，更有效率，更節(jié)能。

船舶壓氣機(jī)；PLC；控制系統(tǒng)；軟件編程

0 引言

船舶活塞式空氣壓縮機(jī)的主要作用是產(chǎn)生壓縮空氣，用于柴油機(jī)的啟動(dòng)、換向以及主、輔設(shè)備的自動(dòng)控制等[1]。壓氣機(jī)的啟動(dòng)和停止在船舶運(yùn)行特別是在機(jī)動(dòng)工況時(shí)是較為頻繁的，在工作時(shí)還要定時(shí)放殘，因而為實(shí)現(xiàn)機(jī)艙無(wú)人化，對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制是十分必要的。但傳統(tǒng)的機(jī)械控制手段故障多，控制不精確，在現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的噪聲大，特別是維護(hù)管理十分不方便。而采用PLC控制則可靠性高并且使用起來(lái)靈活方便，在自動(dòng)化控制領(lǐng)域中已被各行業(yè)廣泛采用[2]。本文用PLC控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)船舶活塞式空氣壓縮機(jī)的自動(dòng)控制，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用起來(lái)方便可靠，并且利用其控制靈活的特點(diǎn)對(duì)輔空壓機(jī)的啟動(dòng)條件進(jìn)行優(yōu)化，在船舶運(yùn)行時(shí)更精確控制輔空壓機(jī)的啟動(dòng)，使之更適應(yīng)船舶實(shí)際用氣情況的變化，更有效率，更節(jié)能。

1 與船舶活塞式空氣壓縮機(jī)自動(dòng)控制相關(guān)的工藝要求

活塞式空氣壓縮機(jī)的自動(dòng)控制主要包括五個(gè)環(huán)節(jié)：壓縮機(jī)的自動(dòng)起、停；自動(dòng)卸載；自動(dòng)泄放；冷卻水、滑油的自動(dòng)控制；自動(dòng)安全保護(hù)。以下是具體說(shuō)明。

1.1 壓縮機(jī)啟、停的自動(dòng)控制

空氣瓶壓力信號(hào)來(lái)自壓力表對(duì)4個(gè)壓力進(jìn)行檢測(cè)，分別為：2.4 MPa、2.5 MPa、2.9 MPa和3.0 MPa（優(yōu)先工作的空壓機(jī)起、停值為2.5 MPa和3.0 MPa，備用輔空壓機(jī)的起、停值為2.4 MPa和2.9 MPa），信號(hào)通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸入PLC進(jìn)而控制空壓機(jī)電機(jī)。對(duì)空壓機(jī)電機(jī)的控制應(yīng)實(shí)現(xiàn)：當(dāng)空氣瓶的壓力下降到2.5 MPa時(shí)優(yōu)先工作的空壓機(jī)起動(dòng)運(yùn)行，在用氣量大的場(chǎng)合空氣瓶壓力繼續(xù)下降到2.4 MPa時(shí)，另一臺(tái)備用空壓機(jī)將自動(dòng)起動(dòng)投入工作；當(dāng)壓力上升至2.9 MPa時(shí)，備用空壓機(jī)首先停車，而優(yōu)先工作的空壓機(jī)則要等到壓力達(dá)到3.0 MPa時(shí)才停車。空氣瓶壓力低于2.4 MPa時(shí)啟動(dòng)是目前船舶所使用的輔空壓機(jī)的啟動(dòng)條件，但這樣有兩點(diǎn)不足：一是船舶在窄水道航行或者進(jìn)港等時(shí)用氣量特別大，空氣瓶壓力在低于2.5 MPa時(shí)，只啟動(dòng)主空壓機(jī)產(chǎn)氣量遠(yuǎn)不足，而要等到空氣瓶繼續(xù)下降到2.4 MPa時(shí)輔空壓機(jī)才啟動(dòng)運(yùn)行，反應(yīng)遲鈍；二是當(dāng)空氣瓶的壓力低于到2.4 MPa這個(gè)點(diǎn)的時(shí)候，這時(shí)船舶大量用氣的工作可能已經(jīng)停止，這時(shí)候啟動(dòng)輔空壓機(jī)則造成浪費(fèi)，并且頻繁啟停不利于壓氣機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)。這里利用PLC控制的優(yōu)勢(shì)對(duì)輔空壓機(jī)的啟動(dòng)條件進(jìn)行優(yōu)化：在空氣瓶壓力下降到2.5 MPa啟動(dòng)主空壓機(jī)的同時(shí)，空氣瓶出口處的流量計(jì)監(jiān)測(cè)此時(shí)的用氣量，若用氣量達(dá)到設(shè)定值時(shí)則給PLC輸入一個(gè)開(kāi)關(guān)量，此時(shí)不用等到空氣瓶壓力下降到2.4 MPa便直接啟動(dòng)輔空壓機(jī)；若沒(méi)有達(dá)到設(shè)定值，說(shuō)明此時(shí)只憑主空壓機(jī)便可以滿足船舶用氣的需求，輔空壓機(jī)不啟動(dòng)。

1.2 壓縮機(jī)的自動(dòng)卸載控制

應(yīng)注意在壓縮機(jī)起、停的時(shí)候應(yīng)該先卸載。對(duì)它的控制應(yīng)實(shí)現(xiàn)在壓縮機(jī)起動(dòng)時(shí)能自動(dòng)卸載，使氣缸均處于空載狀態(tài)，達(dá)到壓縮機(jī)的空載起動(dòng)。停車時(shí)能先卸載后停車，以減少壓縮機(jī)的震動(dòng)和沖擊。PLC輸出一開(kāi)關(guān)量控制外部電磁閥啟閉來(lái)實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的自動(dòng)卸載控制。

1.3 壓縮機(jī)的自動(dòng)泄放控制

空壓機(jī)工作時(shí)，PLC對(duì)它的控制應(yīng)使空氣瓶及空壓機(jī)氣液分離器的泄放電磁閥定時(shí)（1.5～15 min）泄放；停車時(shí)除空氣瓶泄放電磁閥外，其他泄放閥應(yīng)保持打開(kāi)。

1.4 壓縮機(jī)冷卻水的自動(dòng)控制和滑油的自動(dòng)供給

對(duì)冷卻水的PLC自動(dòng)控制應(yīng)保證壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)供水電磁閥自動(dòng)打開(kāi)供水；停車時(shí)供水電磁閥關(guān)閉停止供水。

對(duì)滑油的自動(dòng)供給應(yīng)使空壓機(jī)低壓缸滴油杯的供油電磁閥與壓縮機(jī)同步工作（高壓缸的潤(rùn)滑采用飛濺式不用控制）。

1.5 自動(dòng)安全保護(hù)

空壓機(jī)PLC自動(dòng)控制裝置中應(yīng)包括溫度、壓力、油位等安全保護(hù)措施。其中包括，當(dāng)壓縮機(jī)排氣溫度或冷卻水溫度過(guò)高時(shí)，自動(dòng)停車并發(fā)出聲光報(bào)警；當(dāng)冷卻水壓力或曲軸箱油位低于設(shè)定值，壓縮機(jī)自動(dòng)停車并發(fā)出聲光報(bào)警等。

綜上所述，本控制系統(tǒng)按照要求在PLC中編制用戶程序，完成以下功能：（1）要實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)起、停控制：優(yōu)先空壓機(jī)和備用空壓機(jī)在空氣瓶不同壓力值時(shí)自動(dòng)起停，保證船舶各種工況時(shí)的運(yùn)行需要；（2）每臺(tái)壓縮機(jī)起動(dòng)和停止前均要卸載，以保護(hù)設(shè)備安全運(yùn)行；（3）空壓機(jī)工作時(shí)，定時(shí)自動(dòng)對(duì)空氣瓶和空壓機(jī)氣液分離器放殘，停車時(shí)空氣瓶泄放閥關(guān)閉，氣液分離器泄放閥打開(kāi)；（4）在壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)供水電磁閥自動(dòng)打開(kāi)供水，停車時(shí)關(guān)閉，低壓缸滴油杯的供油電磁閥自動(dòng)打開(kāi)供油，停車時(shí)關(guān)閉；（5）PLC用戶程序還要能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)的控制處理，如：壓縮機(jī)排氣溫度過(guò)高、冷卻水溫度過(guò)高故障及冷卻水壓力或曲軸箱油位過(guò)低故障時(shí)停車并給出聲光報(bào)警。

2 PLC機(jī)型的選擇及I/O的確定要求

考慮待設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)滿足所要求的功能，要使用的輸入、輸出信號(hào)的種類以及參數(shù)等級(jí)和負(fù)載的要求，并使得所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)既成本低又安全可靠，而且方便維護(hù)管理，這是選定機(jī)型的基本原則。還要特別注意電壓和電流的問(wèn)題。在實(shí)際設(shè)計(jì)中主要有以下幾個(gè)方面的問(wèn)題要考慮[3]：

（1）確定I/O的點(diǎn)數(shù)（10%～15%留為備用為佳）；

（2）用戶程序存儲(chǔ)器內(nèi)存容量的確定，確定方法一般為：數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)的10～15倍+模擬I/ O點(diǎn)數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（16位為一個(gè)字），另外再按此數(shù)的25%考慮余量；

（3）響應(yīng)的速度；

（4）負(fù)載的能力及輸入和輸出的方式。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)船舶活塞式空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)及PLC機(jī)型的選擇以及I/O的確定等要求，本文船舶活塞式空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)采用日本三菱公司的FX2-64MT PLC，該型號(hào)PLC的運(yùn)行速度較快，而且功能也很強(qiáng)，它的I/O總數(shù)為64點(diǎn)，本文對(duì)船舶空壓機(jī)的設(shè)計(jì)占用輸入共13點(diǎn)(還有19點(diǎn)備用)，輸出共16點(diǎn)(備用16點(diǎn))。

3.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

按照船舶活塞式空氣壓縮機(jī)控制全自動(dòng)工作流程，根據(jù)活塞式空氣壓縮機(jī)控制要求，如圖1所示給出了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

圖1 軟件編程

如圖1所示，當(dāng)PLC投入運(yùn)行（即RUN開(kāi)關(guān)接通時(shí)），M8002接通一個(gè)掃描周期，狀態(tài)S0（S0為初始狀態(tài)）置位。當(dāng)空氣瓶壓力低于2.5 MPa時(shí)，X1閉合，程序進(jìn)入并行分支。

左邊分支，狀態(tài)S20置位使Y1置位，控制外部電磁閥使主壓氣機(jī)卸載；延時(shí)3秒后T0閉合，狀態(tài)S21置位使Y2置位起動(dòng)主壓氣機(jī)、供給冷卻水和供給低壓缸滑油；延時(shí)10秒后T1閉合，狀態(tài)S22置位使Y1復(fù)位取消卸載，主壓氣機(jī)進(jìn)入正常工作狀態(tài)，并通過(guò)定時(shí)器T8、T9控制Y5的接通斷開(kāi)，使主壓氣機(jī)正常工作時(shí)每隔5分鐘進(jìn)行10秒放殘，另外外部輸入X5（每個(gè)輸入只檢測(cè)一種故障，圖1中為了簡(jiǎn)潔只畫(huà)出X5）對(duì)故障進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)X5閉合接通Y9，停止主壓氣機(jī)和發(fā)出聲光報(bào)警；當(dāng)空氣瓶的壓力達(dá)到3.0 MPa時(shí)，X2閉合狀態(tài)S23置位，控制主壓氣機(jī)卸載；延時(shí)3秒后T2閉合，狀態(tài)S24置位，控制主壓氣機(jī)停止，并停止供給冷卻水和低壓缸滑油；延時(shí)10秒后T3閉合，狀態(tài)S25置位，取消卸載并打開(kāi)除空氣瓶泄放閥外的所有泄放閥。

右邊分支，當(dāng)流量計(jì)的流量大于設(shè)定值時(shí)，常開(kāi)觸點(diǎn)X3閉合狀態(tài)S30置位，使副壓氣機(jī)卸載；延時(shí)3秒后T4閉合，狀態(tài)S31置位，起動(dòng)副壓氣機(jī)，同時(shí)供給冷卻水和低壓缸滑油；延時(shí)10秒后T5閉合，狀態(tài)S32置位取消卸載，副壓氣機(jī)開(kāi)始正常工作，這時(shí)定時(shí)器T10、T11控制Y6接通斷開(kāi)，使副空壓機(jī)每隔5分鐘進(jìn)行一次10秒放殘，另外X6等還將檢測(cè)各種故障，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)X6閉合接通Y10，停止副壓氣機(jī)并發(fā)出聲光報(bào)警；當(dāng)空氣瓶的壓力上升到2.9 MPa時(shí)，狀態(tài)S33置位使副空壓機(jī)卸載；延時(shí)3秒后T6閉合，狀態(tài)S34置位停止副空壓機(jī)，同時(shí)停冷卻水和低壓缸滑油；延時(shí)10秒后T7閉合，狀態(tài)S35置位，取消卸載并打開(kāi)除空氣瓶泄放閥外的所有泄放閥，之后狀態(tài)轉(zhuǎn)移至S36；當(dāng)流量計(jì)的流量沒(méi)有大于設(shè)定值時(shí)，狀態(tài)直接轉(zhuǎn)移到S36。

至此空氣壓縮機(jī)完成一個(gè)周期的工作，空氣瓶的壓力達(dá)到3.0 MPa，但隨著船舶運(yùn)行，若空氣瓶的壓力低于2.6 MPa，則X7閉合狀態(tài)轉(zhuǎn)移到初始狀態(tài)S0，活塞式空氣壓縮機(jī)預(yù)備開(kāi)始一個(gè)新的工作周期。

4 總結(jié)

本文用FX2N-64MT PLC設(shè)計(jì)了船舶活塞式空氣壓縮機(jī)的控制系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，可靠性大大提高，并且便于維護(hù)管理。它不僅改善了輪機(jī)管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度而且降低了現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)工作時(shí)的噪聲，為船舶無(wú)人機(jī)艙的發(fā)展提供一定的參考，而且優(yōu)化了輔空壓機(jī)的啟動(dòng)條件，使船舶用氣更加有保障，更加節(jié)能。

［1］韓厚德，孫永明，王黨和.船舶輔機(jī)［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［2］程周.可編程控制器技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

［3］萬(wàn)太福，唐賢永.可編程序控制器及應(yīng)用［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，1994.

The Design of Marine Piston Type Air Compressor Control System Based on PLC

XIA Wen-hu，SUN Yong-ming
（The Merchant Marine College of Shanghai Maritime University，Shanghai201306，China）

The traditional control system of piston type air compressor on ship has many faults and long-time delays，and the control is also not precise.However it has many advantages to use programmable logic controller（PLC）in the compressor control system.It presents the software programming of compressor control system.And with the advantage of PLC which is flexible and convenient it give an optimization to the starting condition of auxiliary air compressor，which makes it more adapted to the actual situation of ship gas using，more efficient and more energy-saving.

marine air compressor；PLC；control system；software programming

TP273

：A

：1009－9492(2014)10－0013－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.10.004

夏文虎，男，1990年生，湖北隨州人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：船舶輔機(jī)工程。

(編輯：阮 毅)

2014－04－29