PLC的空壓站變頻調速控制系統探討

【摘 要】以PLC應用于空壓站電氣控制系統的技術改造實例，對PLC與變頻器的通信及系統人機界面進行設計。

【關鍵詞】PLC控制系統 空壓站 變頻調速 控制系統

【中圖分類號】 G 【文獻標識碼】 A

【文章編號】0450-9889（2015）06C-0179-03

工業企業空氣壓縮站（簡稱空壓站）或空氣壓縮機房（簡稱空壓機房），使用壓縮空氣作為重要生產動力源。目前越來越多的自動化設備應用于工業控制現場，如正業控制汁算機、PLC、觸摸屏和變頻器等，利用這些設備可以大大地提高設備的自動化水平、生產效率和控制精度，實現系統的節能降耗和經濟運行。

一、控制系統的控制要求和原理

（一）系統的主要控制要求。采用PLC控制變頻器進行空壓站技術改造后，系統的主要控制要求如下：

1.控制系統有手動和自動兩種方式。在自動運行時（手動預先設定變頻器控制的機組，1號或2號機組）。根據壓力傳感器輸出的模擬電壓或電流信號（0～10V或4—20mA）由PLC進行PID調節運算，控制變頻器在15～50Hz之間節能地運行。其中，3～5號備用機組的控制要求為：當管道壓力低于工作壓力下限值（預先設定）并且變頻器輸出頻率在上限值（預先設定）時，經過延時（延時時間可設置）由PLC控制啟動3、4號其中一臺機組，直至3～5號機組全部啟動；當管道壓力大于工作壓力上限值（預先設定），并且變頻器輸出在下限（可設定），經延時（延時時間可設置）由PLC停止3、4號其中一臺機組。同樣上述兩條件不變可再停一臺，直到停完。

2.壓力信號取自壓力傳感器或變送器，系統工作壓力上、下限可由PLC設定。

3.手動工作時只有3、4、5號機組的啟、停通過手動按鈕操作，其他工作情形與自動工作方式時一樣。

4.變頻器在PID調節故障時可使用電位器人工進行調速。

5.人機界面要求。變頻器的運行監視參數可通過RS—485串行接口，經PLC由觸摸屏進行遠程顯示。機組的啟、停延時時間可通過觸摸屏修改（20～6005）。

（二）控制系統的控制原理。控制系統的控制原理主要是：由PLC基本單元擴展出模擬量輸入/輸出模塊，通過壓力傳感器實時檢測壓力值送人模擬量模塊進行PLC內部的調節運算，然后由模擬量輸出模塊輸出直流0～10V的電壓信號至變頻器，變頻器的輸出頻率信號通過模擬量輸出端子回送到PLC，構成模擬量閉環控制回路。由壓力傳感器測量實際壓力后與壓力設定值進行比較，經PLC內部PID調節運算實時控制變頻器的輸出頻率，從而調節空壓機（三相異步電動機）的轉速，使供氣系統空氣壓力穩定在設定壓力值上。通過變頻器PU接口的RS—485串行通信可以讀人變頻器除頻率外的其他主要運行參數，如電流、功率和電壓等。

這樣由PLC、變頻器、三相交流異步電動機、壓力傳感器（變送器）等組成的壓力反饋閉環控制系統，能夠自動地調節三相交流異步電動機的轉速，使供氣系統空氣壓力穩定在設定范圍內，進行恒壓控制。

二、控制系統的硬件選型

根據控制要求和控制規模的大小，這里選用三菱公司的FX系列小型PLC作為系統的主控制器，模擬量輸入輸出模塊選用FXlN。—485BD，變頻器選用三菱的FR—A700系列，觸摸屏選用上海步科電氣的eView系列MT510，壓力傳感器則選擇TPTS03型壓力傳感器。

（一）系統的主控制器——FXlN—40MR。FXlN系列屬于FX系列PLC中普及型的子系列，經過擴展適當的模擬量模塊并使用PID指令，完全可以滿足對中等規模空壓站控制系統閉環模擬量的控制要求。根據系統的控制規模和對I/O點數的要求，系統的控制器選擇FXlN—40MR，為繼電器輸出型，有24點開關量輸入，16點開關量輸出。

FXlN系列PLC在加裝了通信擴展板FXlN—485—BD后，通過網線與變頻器的PU接口相連后，可與之進行由PU接口引出的RS—485串行通信，讀取變頻器的監控參數，如實際頻率、電流、功率和電壓等。

（二）模擬量輸入輸出模塊——FXON—3A。FXON—3A模擬量輸入輸出混合模塊有兩個輸入通道（0～10V電壓或4—20mA電流）和一個輸出通道。輸人通道接收模擬信號并將模擬信號轉換成數字值，輸出通道采用數字值并輸出成對應比例的模擬信號。輸入/輸出通道選擇的電壓或電流形式由用戶的接線方式決定。FXON—3A可以連接到FX2N＼FX2NC、FXl1N、FXIN等系列的可編程序控制器上。FXON—3A的最大分辨率為8位。FXON—3A在PLC擴展母線上占用8個I/O點。這8個I/O點可以分配給輸入或輸出。所有數據傳輸和參數設置都是使用PLC中的FROM/TO指令，通過FXON—3A的軟件控制調節。PLC與FXON—3A之間的通信由光電耦合器進行保護。

FXON—3A的端子和外部接線如圖1所示。

（三）變頻器——FR—A700。變頻器的基本原理和應用技術在第四章中已有介紹，讀者可以參見前面的相關內容。根據空壓站系統的壓力負荷，選擇的變頻器是三菱FR—A700系列的A740，功率為110kW。

（四）觸摸屏——MT510。在本控制系統中，采用MT510作為人機交互的界面，它具有界面美觀、組態編程靈活、交互功能強等特點，便于與系統其他部分集成。

三、控制系統的硬件設計

（一）控制系統的硬件總體組成。空壓站PLC控制系統的硬件總體組成框圖如圖2所示。FXON—3A模擬量模塊的輸入通道可讀取壓力、溫度傳感器的測量值，其輸出通道輸出0～10V電壓信號作為變頻器FR—A740的頻率給定。變頻器FR—A740的PU接口與加裝了FXlN—485BD通信板的FXly4系列PLC可實現基于RS—485總線的串行通信，PLC便能夠讀人變頻器的電流、功率和電壓等運行參數。

圖2 空壓站PLC控制系統硬件總體組成框圖

（二）系統的主電路和控制電路。空壓站PLC控制系統的硬件設計主要包括主電路和控制電路的設計。

1.主電路。空壓站PLC控制系統的主電路如圖3所示。

2.控制電路?？諌赫究刂葡到yPLC外部接線圖和控制電路圖（部分）分別如圖4和圖5所示。

四、PLC的程序設計

控制系統的程序主要包括空壓機組邏輯控制程序、模擬量輸入輸出模塊讀寫、PID調節運算程序和PLC與變頻器串行通信程序等。

（一）空壓機組邏輯控制程序的設計。在進行控制系統的程序設計時，除了應滿足前面“系統的主要控制要求”中各機組啟、停的邏輯控制外，在1、2號機組切換時還應滿足下述的編程聯鎖等要求：

1.KAl、KA3不能同時接通；KAl、KA2不能同時接通；KA3、KA4不能同時接通。

2.當變頻器運行時，KMl、KM2不允許動作。

3.只有當1號或2號機組啟動信號及運行信號到達后變頻器方可啟動（KAll接通）。

4.1號機組運行時，禁止KM3操作；2號機組運行時，禁止KM4操作。KAl—KA4、KMl、KM2等電器元件在電路中的作用，可參見圖3和圖5。

下面只給出了1、2號機組變頻啟動控制部分的程序，如圖6所示，其他機組的邏輯控制程序從略。

（二）模擬量輸入輸出模塊讀寫。PLC基本單元是通過特殊功能模塊讀、寫指令FROM、TO和模擬量輸入輸出模塊FXON—3A中的緩沖存儲器（BFM）交互數據的。FROM、TO指令的使用可參見第四章的介紹。FXON—3A緩沖存儲器的分配見表l。

【作者簡介】周正杰（1973- ），男，廣西人，碩士，廣西機電職業技術學院講師，工程師，研究方向：電工技術，電力系統及自動化。

（責編 黎 原）