基于PLC的壓風機風包溫度監控系統的研制

代業濱

【摘 要】本文采用PLC對礦山空氣壓縮機風包進行溫度監控，取代傳統的電器控制手段，獲取更高的經濟效益和安全性能。

【關鍵詞】可編程控制器；空氣壓縮機；溫度采集；數據傳輸

空氣壓縮機是礦山生產重要的四大固定設備之一，空壓機的風包是受壓容器，《煤礦安全規程》規定：“風包內的溫度應保持在120℃以下，并裝有超溫保護裝置，在超溫時可自動切斷電源和報警。”我礦原來使用的超溫報警裝置為WMZK-02型溫度指示控制儀，經常性發生誤報及無溫度指示的情況。為提高風包溫度監控的可靠性及職能化水平，對風包溫度監控系統進行重新改造設計。

1 系統結構

系統由三菱Fx-2N系列PLC、三菱模擬量模塊FX2N-4DA、溫度采集模塊R-8034、開關電源、數字顯示電路、指示及顯示設定電路、溫度傳感器熱電阻等構成。

系統以PLC作為主控器，通過RS485與溫度采集模塊R-8033進行通信，把采集到的各風包溫度傳輸到主控器。在PLC內部通過與設定好的上限溫度進行比較，進而作出是否超溫的判斷，以作出是否發出停機的命令。同時設定顯示電路把指定的溫度顯示在數字顯示屏上。每天進行實驗時可以通過，實驗按鈕進行風包超溫實驗。同時本系統留有數據上傳接口可通過PLC的RS422接口把溫度及報警信息上傳上位機。

2 硬件電路設計

2.1 可編程控制器（PLC）的優點

1）編程方法簡單易用。

2）功能強，性能價格比高。

3）硬件配套齊全，用戶使用方便。

4）無觸點免配線，抗干擾能力強。

5）系統的設計、安裝、調試量少。

6）維修工作量少，維修方便。

7）體積小，能耗低。

2.2 溫度采集模塊的應用

R-8033是38路模擬量熱電阻輸入模塊。分辨率為24位，熱電阻類型可設定為PT100、Cu50、Cu100，本設計選用PT100。

由于R-8033溫度采集模塊采用RS-485通訊方式，可遠距離通訊，系統所有模塊只需要用一條通訊線進行連接，具有高通訊速率，高采樣分辨率，智能化、光電隔離、強抗干擾和雙看門狗設計，使系統的可靠性增強，數據高速I/O成為可能，軟件開發也較為容易。

系統可根據測量的溫度點數任意增減模塊數量，配置靈活，端子可插拔，采用導軌式安裝，施工維護及其方便。

2.3 可編程控制器模擬模塊FX2N-4DA

模擬量輸出模塊（D/A模塊）是將PLC處理后的數字信號轉換成相應的模擬信號輸出，以滿足生產過程現場連續控制信號的需求。模擬信號輸出接口一般由光電隔離、D/A轉換、信號驅動等環節組成。FX2N-4DA是一種4通道模擬量輸出模塊。在本設計中通過PLC控制FX2N-4DA輸出相應的模擬量輸出到數字顯示電路，以顯示相應的溫度。

2.4 數字顯示電路的設計

基于ICL7107數字電壓表的設計的設計，ICL7107是目前廣泛應用于數字測量系統是一種集三位半轉換器段驅動器位驅動器于一體的大規模集成電路，ICL7107是目前廣泛應用于數字測量系統的一種31/2位A/D轉換器，能夠直接驅動共陽極數字顯示器，夠成數字電壓表，此電路簡潔完整，ICL7107是目前廣泛應用于數字測量系統是一種集三位半轉換器段驅動器、位驅動器于一體的大規模集成電路，主要用于對不同電壓的測量和許多工程上的應用，調頻接口電路，它采用的是雙積分原理完成A/D轉換，全部轉換電路用CMOS大規模集成電路設計。應用了ICL7107芯片數碼管顯示器等，芯片第一腳是供電，正確電壓時DC5V，連接好電源把所需要測量的物品連接在表的兩個端口，可在顯示器看到所需要結果。

主要有ICL7107和共陽極半導體數碼管LED組成。特點是：能夠直接驅動共陽極的LED顯示器，不需要外加驅動原件，使整機線路簡化；采用+5V和-5V兩組電源供電；LED屬于電池控制原件，芯片本身功耗較小；顯示亮度較高。

3 傳感器的選擇及安裝

3.1 溫度傳感器選擇

鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻和溫度成一定函數關系而制成的溫度傳感器，由于其測量準確度高，測量范圍大，復現性和穩定性好，被廣泛應用于中溫（-200℃-650℃）范圍的溫度測量中。PT100是一種廣泛應用的測溫元件，在-50℃-600℃范圍內具有其他任何傳感器無可比擬的優勢，包括高精度，穩定性好，抗干擾能力強等。

3.2 溫度傳感器安裝及其位置選擇

插入管的內半徑是根據所選擇的溫度傳感元件而定的。一般可直接選購-200—600℃的PT100傳感器。溫度傳感器和溫度傳感器套管通過螺紋連接，接觸面通過耐溫密封圈密封，安裝在風包上預留的壓力表位置，從而避免了一切傷害風包的因素。插入管的壁厚與風包的厚壁之比直接影響到可靠性。當插入管厚壁大于或等于容器壁時，在開孔直徑相同的情況下，開孔邊緣的最大應力與殼體的基本應力之比最小，亦應力集中系數最小。所以，應盡可能選用厚壁較厚的鋼管。

4 系統程序設計

4.1 系統控制程序的設計

設計PLC控制系統的一般步驟：

1）根據生產的工藝過程分析控制要求；

2）根據控制要求確定所需的用戶輸入、輸出設備。據此確定PLC的I/O點數；

3）選擇PLC；

4）分配PLC的I/O點，設計I/O連接圖。這一步可結合第2步進行；

5）進行PLC程序設計，同時可進行控制臺的設計和現場施工。

4.2 系統通信程序設計

PLC通過其RS-485接口與溫度采集模塊R-8033相連，當R-8033接收到PLC命令后，將其轉化為采集模塊的操作命令，并將執行的結果打包回傳給PLC，作為PLC控制的依據。要實現PLC對R-8033的通訊控制，必須對PLC進行編程；通過程序實現PLC對采集模塊數據的采集。PLC程序首先應完成FX2N-485BD通訊適配器的初始化、控制命令字的組合、代碼轉換和R-8033應答數據的處理工作。R-8033通訊命令結構：

命令格式：（Leading）（Address）（Coommand）（CHK）（cr）

響應格式：（Leading）（Address）（Data）（CHK）（cr）

[CHK]2字符檢驗

[cr]命令結束符，字符返回（0x0D）

通過在PLC內編制格式的命令程序以實現數據的寫入與讀出。

5 結語

本設計主要用應用PLC來監控空氣壓縮機風包溫度，實時觀測系統的運行狀況，以便用戶隨時了解系統信息。整個系統自動化水平比較高采用PLC控制和數據通訊技術監控大大減少了人力物力，對于溫度的變化能很快的做出反應，輸出報警，停止空壓機運行。

【參考文獻】

[1]曹輝.可編程序控制器系統原理及應用[M].北京：電子工業出版社，2003：49-87.

[責任編輯：程龍]