基于PLC的螺桿式空壓機控制系統的設計

周海丹

【摘 要】針對螺桿式空壓機運行條件惡劣、故障頻出的情況，分析了空壓機的控制要求，設計了基于PLC的控制系統，詳細介紹了系統的軟、硬件設計及工作原理。實踐表明，該控制系統穩定性好，可靠性高，完全滿足控制要求。

【關鍵詞】螺桿式空壓機；PLC；控制系統

Design of Control System for Screw Compressor Based on PLC

ZHOU Hai-dan

（Fair Friend Institute of Electromech， Hangzhou Vocational &Technical College， Hangzhou Zhejiang 310018）

【Abstract】Aiming at the bad operating conditions and malfunction frequently of Screw Compressors， a control system was designed based on PLC after analyzing control requirements. Then the hardware and software design and working principle was demonstrated. The results show that the system has well stability and high reliability and completely meet the control requirements .

【Key words】Screw compressor； PLC； Control system

0 引言

壓縮空氣是現代工業生產中不可缺少的動力源，在工業應用領域被認為是僅次于電力的第二大動力能源，其應用領域遍布冶金、化工、煙草、機械、醫藥、食品等行業。空壓機是氣源裝置中的主體，它是將原動機的機械能轉換成氣體壓力能的裝置，是壓縮空氣的氣壓發生裝置[1，2]。由于空壓機的使用外部空氣進行動力轉換，從某種意義上來講，是一種取之不盡的能源。其中，螺桿式空壓機憑借其可靠性高等優點占據了其中很大的份額。但是因為空壓機設備運行時會有很多的問題，比如相序錯誤、電流過載、缺相、耗材使用時間到等，國內外相關此類的安全事故也時有發生[3，4]。因此，設計一個可靠的螺桿式空壓機控制系統十分有必要。在充分了解螺桿式空壓機設備使用情況的前提下，根據螺桿式空壓機控制器的功能需求，充分查閱資料，對比多種方案，最終設計了以單片機為核心的空壓機控制系統。

1 螺桿式空壓機基本結構

空壓機系統如圖 1 所示，主要由空壓機本機、儲氣罐、PLC控制器、傳感器等組成。其中空壓機本機主要包括空壓機主機（機頭）、油水分離筒、油分離器、油過濾器、水分離器、冷卻扇、電機等。空壓機無調速要求，故沒有采用變頻器。空壓機型號為LRL-220型（22Kw，380V，3.8m3/min，0.7MPa），由三相交流異步電動機驅動。

圖1 螺桿式空壓機控制系統組成方框圖

2 控制系統設計

2.1 相關要求

2.1.1 性能要求

（1）安全性：由于其工作特點和使用環境的限制，決定了整個系統在工作時是有一定的危險系數存在的，因此在系統的設計中，要從硬件和軟件兩方面去保證整個系統的安全問題，并考慮最差情況下的手動強制措施；（2）穩定性：控制對象有380V 交流電，而且一般工作環境都是大型設備集群區域，導致系統對于穩定性有很大的要求；（3）易操作性和可維護性：設計控制系統的時候，一定要考慮是否具有簡便的操作性，設計時要考慮菜單的清晰化和操作的簡便化，對于按鍵操作，在滿足功能要求的情況下，要力求簡潔明了；另外，在設計的時候需考慮設備的可維護性[5]。

2.1.2 參數要求

（1）輸入電源為三相交流380V；（2）開關量輸入，包括開關、急停等；開關量輸出，包括風機、主機、指示燈、故障報警輸出燈等；（3）一路溫度測試電路，一路壓力測試電路；兩組三相電流（主機、風機）輸入，通過電流互感器進行相關測試；（4）顯示：人機界面方式顯示，人機界面包括點陣式液晶、按鍵、指示燈；（5）380V 相序檢測，判斷是否相序錯誤，并在設定的動作時間內進行保護；（6）電機保護：對主電機有缺相、逆向電流不平衡、過電流保護功能，對風扇電機（后簡稱為風機）有過載保護功能。缺相、逆向保護采用欠逆相檢知繼電器；過電流保護采用熱動繼電器和電流互感器[6]。

2.1.3 控制要求

基本控制要求為潤滑油壓油溫超限保護、斷水保護、排氣溫度超限保護、空壓機氣壓超限壓力保護、啟動功能、停止功能、保護及故障報警功能、負荷/無負荷運行切換。

如果排出壓力下降到負荷壓力，根據壓力傳感器的信號操作電路板使電磁閥勵磁。控制空氣經過電磁閥被輸送到吸入閉鎖閥，活塞運轉閥門板打開，空氣被吸入壓縮機主機，開始壓縮。同時吸入閉鎖閥內的放氣閥關閉，油水分離筒停止放氣。如果空氣消耗量減少，排出壓力上升到無負荷壓力，則根據壓力傳感器的信號操作電路板使電磁閥消磁，控制空氣經電磁閥，將氣體釋放到大氣。通過彈簧的力量，活塞被壓回，吸入閥門板關閉，壓縮機機身的空氣吸入停止。同時放氣閥打開，油水分離筒內的壓力下降，進行無負荷運轉。如果無負荷運轉繼續，則壓縮機自動停止運轉。

2.2 硬件設計

螺桿式空壓機的控制系統主要包括PLC、繼電器輸出控制、模擬量輸入模塊、電動機、電磁閥、人機界面等組成，如圖2所示。

圖2 螺桿式空壓機PLC控制系統組成原理圖

2.2.1 PLC及模擬量擴展模塊的選擇

（1）該控制系統的PLC選用了三菱FX2N-32MR系列。輸入模塊的作用是采集螺桿式空壓機的各種狀態信息，包括運行情況、故障情況、各傳感器信號等，然后傳送給PLC進行信息處理。輸出模塊的作用是PLC將控制信息輸出以實現對空壓機的控制。

由于PLC的基本單元只配置了數字量接口，為了采集空壓機各傳感器的模擬量輸入信號，在PLC基本單元的基礎上擴展了1 個模擬量輸入模塊FX2N-4AD[7]。該模塊有4個輸入通道，每個通道都可進行AD轉換，分辯率為12位， 采集信號電壓為-10V～+10V。電流輸入時，為4～20mA或-20～20mA，分辯率20uA。通道初始化時設BFM#0=H3111，表示CH1、CH2、CH3的輸入范圍皆為4～20mA， CH4關閉。

2.2.2 傳感器的選擇

本系統中采用的溫度傳感器為米科牌P202一體化溫度變送器，其測量范圍為-50～350℃，采用24VDC電源供電，輸出 4～20 mA直流信號，精度等級為0.5，完全防水。壓力傳感器選擇聯測儀表的MIK-P300型壓力變送器，其工作電源為 24V DC，輸出 4～20 mA直流信號，量程為0～1 MPa，精度等級為0.1。電流傳感器選擇KXT273I，其輸入范圍為1A-400A，輸出 4～20 mA直流信號，線性度為0.1%。

2.2.3 繼電器的選擇

相序保護可采用相序繼電器，當電路中相序與指定相序不符時，相序繼電器將觸發動作，切斷控制電路的電源從而達到切斷電動機電源、保護電動機的目的。本系統中采用的相序繼電器為安良APR-3S欠逆相檢知繼電器，電源型式為三相三線式。中間繼電器采用歐姆龍牌，主要用于擴展觸點數量。熱繼電器-型號為RHN-10K，主要用來對異步電動機進行過載保護。

2.3 軟件設計

2.3.1 輸入/輸出端口分配

表1 輸入/輸出端口分配表

2.3.2 控制原理

系統起動后，先初始化運行，PLC將采集溫度傳感器、壓力傳感器、電流傳感器、欠逆相檢知繼電器等信號，通過程序運行以實現對空壓機的各種控制，控制動作主要包括起動、停止、電磁閥通斷、急停、報警輸出等，控制流程如圖3所示。

圖3 PLC控制流程圖

3 結論

本文詳細地分析了基于PLC的螺桿式空壓機控制系統設計，以三菱FX2N-32MR系列PLC為控制核心，并在此基礎上擴展了模擬量輸入模塊FX2N-4AD，結合了傳感器、外圍電路。該控制系統穩定性好、可靠性高，具有一定的可行性。

【參考文獻】

[1]王瑾輝，張小亮，孔平.基于空壓機系統的組態控制[J].機床與液壓，2010，38（22）：98-101.

[2]湯鈺鵬，李永平，徐建軍.空壓機系統的自動化節能控制[J].儀器儀表學報， 2002，24：651-653.

[3]張旭領，趙武，唐愛民.基于PIC單片機的螺桿式空壓機控制器[J].單片機開發與應用，2009，25（9）：89-90.

[4]張建國，梁南丁.礦山固定設備電氣控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2008.

[5]Keping Liu， Xuesheng Feng， Min Yang， Chonghe Tang， Changhong Jiang. Fuzzy predictive control of Air Compressor System[J]. Computer， Mechatronics， Control and Electronic Engineering， 2010：344-347.

[6]李寶順.螺桿式空氣壓縮機智控制器的研制[J].流體機械，2005，33（7）：56-59.

[7]電氣控制與PLC應用[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[責任編輯：楊玉潔]