空壓機(jī)冷卻水循環(huán)的PLC電氣控制系統(tǒng)

蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 張?zhí)K新深圳龍崗中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校 劉雙喜

空壓機(jī)冷卻水循環(huán)的PLC電氣控制系統(tǒng)

蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 張?zhí)K新
深圳龍崗中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校 劉雙喜

【摘要】空氣壓縮機(jī)是工業(yè)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)產(chǎn)品，被稱(chēng)為"通用機(jī)械"，廣泛應(yīng)用于眾多工業(yè)領(lǐng)域。本文主要針對(duì)空壓機(jī)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行PLC電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先對(duì)空壓機(jī)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工藝過(guò)程進(jìn)行闡述，在此基礎(chǔ)上，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)，主控制器選用西門(mén)子公司的S7-200系列CPU224，檢測(cè)部分選用PT100溫度傳感器、水位傳感器和壓力傳感器，并通過(guò)EM235模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，主電路由MM3430變頻器和接觸器構(gòu)成。軟件上通過(guò)STEP 7-Micro/WIN軟件對(duì)PLC進(jìn)行編程，包括模擬量參數(shù)的采集與數(shù)值轉(zhuǎn)換、溫差速度控制和故障報(bào)警程序，最終，完成了空壓機(jī)冷卻水循環(huán)的PLC電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】空氣壓縮機(jī)；冷卻水循環(huán)；S7-200

0.引言

現(xiàn)代空氣壓縮機(jī)的雛形是公元1640年德國(guó)研制的真空泵，經(jīng)過(guò)數(shù)百年的發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的壓縮機(jī)，包括往復(fù)式空氣壓縮機(jī)、活塞式空壓機(jī)、對(duì)置式空氣壓縮機(jī)和往復(fù)式氣缸無(wú)油潤(rùn)滑空氣壓縮機(jī)等。進(jìn)入到21世紀(jì)，螺桿式空壓機(jī)新技術(shù)不斷出現(xiàn)，加工精度不斷提高，而且輔助設(shè)備也日趨完善。這些因素讓螺桿空壓機(jī)的性能得到越來(lái)越多人的肯定，因此其使用范圍也不斷擴(kuò)展，目前已經(jīng)成為最受歡迎的一類(lèi)空壓機(jī)，在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，空氣壓縮機(jī)主要是提供氣源裝置，通過(guò)將原電動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力，空壓機(jī)用途非常廣泛，尤其是螺桿式的空氣壓縮機(jī)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械，治金，電子電力，醫(yī)藥，包裝，化工，食品，采礦，紡織，交通等眾多工業(yè)領(lǐng)域，壓縮機(jī)因其用途廣泛而被稱(chēng)為”通用機(jī)械”，空氣壓縮機(jī)主要作用為產(chǎn)生動(dòng)力、制冷和氣體分離、合成及聚合、油的加氫精制、氣體輸送。

過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，壓縮機(jī)行業(yè)市場(chǎng)大部分由外企企業(yè)掌控，近年來(lái)國(guó)家重視此行業(yè)，使得壓縮機(jī)行業(yè)市場(chǎng)飛速發(fā)展。本文主要針對(duì)空壓機(jī)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行PLC電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主控制器選用S7-200系列CPU224，主電路選用MM3430變頻器和繼電器控制回路用于壓縮機(jī)速度控制，檢測(cè)系統(tǒng)包含進(jìn)出口溫度、管道壓力、水池液位的測(cè)量，模擬量輸入模塊選用EM235，軟件上通過(guò) STEP 7-Micro/ WIN軟件對(duì)PLC進(jìn)行編程，最終完成了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1.結(jié)構(gòu)及工作原理

空壓機(jī)作為一種重要的能源產(chǎn)生形式，廣泛應(yīng)用于日常生活和工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。由于空壓機(jī)在運(yùn)行時(shí)其缸體中活塞的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，使得空壓機(jī)的溫度升高，工作效率降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致空壓機(jī)損壞，因此，必須及時(shí)對(duì)工作中的空壓機(jī)進(jìn)行冷卻降溫?？諌簷C(jī)采用循環(huán)冷卻水可降低排氣溫度，冷卻轉(zhuǎn)子的潤(rùn)滑油，從而達(dá)到冷卻空壓機(jī)的目的。

空壓機(jī)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)是其核心部件，包括電動(dòng)機(jī)水泵、空壓機(jī)冷卻器、冷卻塔，水泵為冷卻水的循環(huán)提供動(dòng)力，冷卻水經(jīng)過(guò)管道進(jìn)入冷卻器帶走氣、油的熱量。冷卻器是空壓機(jī)的冷卻裝置，其內(nèi)裝有盤(pán)管，可擴(kuò)大空壓機(jī)的冷卻面積。冷卻塔用于將水在冷卻過(guò)程中帶入熱量散到空氣中，降低循環(huán)水的溫度。冷卻塔在進(jìn)行水的冷卻時(shí)，會(huì)有一些水汽護(hù)法，冷卻塔中的水位會(huì)慢慢降低，因此對(duì)水池要根據(jù)水位情況進(jìn)行必要的補(bǔ)水。

其控制要求為，本控制系統(tǒng)采用兩臺(tái)水泵進(jìn)行輪值控制運(yùn)行，每間隔一定進(jìn)行自動(dòng)輪值切換來(lái)防止由于冷卻系統(tǒng)長(zhǎng)期不間斷運(yùn)行產(chǎn)生的水泵損壞。通過(guò)變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，同時(shí)根據(jù)空壓機(jī)的出水口和進(jìn)水口的溫度差值調(diào)節(jié)水泵的供水量，系統(tǒng)具有水池液位檢測(cè)、管道壓力檢測(cè)和水池低液位的補(bǔ)水功能，同時(shí)還具有報(bào)警、過(guò)電流和過(guò)載等保護(hù)功能。

2.硬件設(shè)計(jì)

空壓機(jī)冷卻循環(huán)水PLC控制系統(tǒng)主要由PLC、變頻器和外圍檢測(cè)部件等組成 冷卻循環(huán)水PLC控制系統(tǒng)主電路用于對(duì)水泵進(jìn)行供電和控制，冷卻水泵由西門(mén)子變頻器MM3430驅(qū)動(dòng)，在電路中，熱繼電器用于水泵的過(guò)載保護(hù)，斷路器是變頻器的電源開(kāi)關(guān)且具有電流保護(hù)功能，2個(gè)接觸器用于變頻器的變頻和工頻轉(zhuǎn)換，中間繼電器用于變頻器的啟?？刂坪妥冾l器的速度控制，形成三段速或者八段速控制，另外還可用于故障復(fù)位、運(yùn)行和故障顯示等功能。

PLC控制電路主要用于水泵變頻/工頻方式的轉(zhuǎn)換、水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)、檢測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)和故障報(bào)警燈。在設(shè)計(jì)PLC控制電路時(shí)，首先需要進(jìn)行PLC硬件選型，本文采用西門(mén)子公司的S7-200系列CPU224，其開(kāi)關(guān)量輸入輸出點(diǎn)可以滿足控制要求，開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)共有12個(gè)，包含變頻器變頻/工頻轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、變頻器運(yùn)行和故障信號(hào)、電動(dòng)機(jī)過(guò)載信號(hào)和過(guò)電流信號(hào)、冷卻循環(huán)水流信號(hào)、復(fù)位按鈕以及變頻器啟動(dòng)和停止按鈕；開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)共有9個(gè)，主要包括變頻器的工頻/變頻繼電器、變頻器的啟停繼電器、變頻器的速度繼電器、復(fù)位繼電器、冷卻池的補(bǔ)水繼電器和系統(tǒng)故障報(bào)警信號(hào)燈等。系統(tǒng)模擬量信號(hào)采集模塊選用EM235擴(kuò)展模塊，用于冷卻池水位和冷卻器進(jìn)出口溫度的檢測(cè)。其控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理框圖

3.軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)空壓機(jī)循環(huán)冷卻水的控制工藝要求，本文設(shè)計(jì)的PLC控制程序主要包括3個(gè)部分：模擬量參數(shù)的采集與數(shù)值轉(zhuǎn)換、溫差速度控制和故障報(bào)警。模擬量參數(shù)的采集與數(shù)值轉(zhuǎn)換程序?qū)⑽鏖T(mén)子PLC模擬量通道中的整數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為雙整數(shù)，再轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)的實(shí)數(shù)，采集的數(shù)據(jù)包括冷卻池水位和出水口溫度。溫差速度控制程序根據(jù)冷卻水進(jìn)出口的溫度差值，分為三段速度控制冷卻水的流量，其溫度界點(diǎn)為10℃和20℃。故障報(bào)警分為輕事故報(bào)警和重事故兩種，分別對(duì)應(yīng)報(bào)警和停泵，當(dāng)發(fā)生短路和過(guò)載事故時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警信號(hào)燈在發(fā)生閃爍的同時(shí)，變頻器停止運(yùn)行，當(dāng)發(fā)生斷流和冷卻池水位低時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警信號(hào)燈閃爍，提醒工作人員注意，但是不停泵。

本文設(shè)計(jì)的PLC控制流程圖如圖2所示，從圖中可以看出，程序開(kāi)始進(jìn)行工頻和變頻的選擇模式，選擇變頻模式后，啟動(dòng)變頻器，檢測(cè)溫差的值，并選擇相應(yīng)的變頻泵轉(zhuǎn)速，如果溫差的值小于10℃，變頻泵低速運(yùn)行，當(dāng)溫差的值大于10℃且小于20℃時(shí)，變頻器運(yùn)行于中速模式，同時(shí)增大冷卻水的流量，當(dāng)溫差的值大于20℃時(shí)，變頻器運(yùn)行于高速模式，此時(shí)的冷卻水流量達(dá)到最大值；如果選擇工頻模式，則按照50HZ的恒定速度運(yùn)行。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，停機(jī)報(bào)警，最后程序結(jié)束。

圖2 PLC控制流程圖

4.結(jié)論

本文首先簡(jiǎn)要概述了空氣壓縮機(jī)的歷史發(fā)展情況，強(qiáng)調(diào)了其在工業(yè)和生活中的重要性，然后詳細(xì)介紹了空氣壓縮機(jī)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其控制要求，在此基礎(chǔ)上，本文對(duì)空壓機(jī)冷卻水循環(huán)的PLC電氣控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，在硬件上，選用西門(mén)子公司的S7-200系列CPU224為核心控制器，配以溫度、水位和壓力等傳感器，模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換選用EM235轉(zhuǎn)換器，主電路選用接觸器、斷路器和熱繼電器等，選用MM3430變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。在軟件上，運(yùn)用STEP 7-Micro/WIN軟件對(duì)PLC進(jìn)行梯形圖的編程，程序包含模擬量參數(shù)的采集與數(shù)值轉(zhuǎn)換、溫差速度控制和故障報(bào)警等子程序，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，完成了基于PLC的空壓機(jī)冷卻水循環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

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