空壓站控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

空壓站控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.原空壓站電氣控制系統(tǒng)存在的問題

（1）原控制系統(tǒng)工作過程

某機(jī)車車輛廠空壓站原先采用繼電器控制系統(tǒng)對(duì)5臺(tái)空壓機(jī)組的進(jìn)行控制。每臺(tái)機(jī)組均有一個(gè)起動(dòng)柜實(shí)施Y－△降壓起動(dòng)，系統(tǒng)僅有手動(dòng)操作方式。在原系統(tǒng)中，1＃、2＃為主工作空壓機(jī)組（功率各為110KW），2臺(tái)空壓機(jī)組按一定的周期輪流工作。3＃～5#為備用空壓機(jī)組（功率各為30KW），當(dāng)1?；??？諌簷C(jī)組工作而系統(tǒng)仍供氣壓力不足時(shí)，將起動(dòng)其中1臺(tái)乃至3臺(tái)直到滿足供氣壓力為止。

（2）原控制系統(tǒng)存在主要問題

①各工作機(jī)組雖然采取Y－△減壓起動(dòng)，但起動(dòng)時(shí)的沖擊電流仍較大，嚴(yán)重的影響到了電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和空壓站周圍其它用電設(shè)備運(yùn)行的可靠性、安全性；

②當(dāng)主空壓機(jī)組處于工頻運(yùn)行時(shí)，空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)噪音大，對(duì)周圍造成嚴(yán)重的聲音環(huán)境污染；

③主電機(jī)工頻起動(dòng)對(duì)設(shè)備的沖擊大，電機(jī)軸承易磨損，機(jī)械設(shè)備的維護(hù)工作量大；

④主空壓機(jī)組經(jīng)常處于空載運(yùn)行，浪費(fèi)電能現(xiàn)象嚴(yán)重，很不經(jīng)濟(jì)；

⑤空壓機(jī)組控制系統(tǒng)采用繼電器控制，只有手動(dòng)操作方式，因此控制系統(tǒng)工作的可靠性、安全性較差，人員操作麻煩，自動(dòng)化水平低、生產(chǎn)效率不高。

2.改造技術(shù)要求

實(shí)施技術(shù)改造后系統(tǒng)應(yīng)滿足的主要技術(shù)要求如下：

（1）三相異步電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)應(yīng)保持供壓系統(tǒng)出口壓力穩(wěn)定，壓力波動(dòng)范圍不能超過±0.1Mpa；

（2）控制系統(tǒng)可以選擇在變頻和工頻兩種工況下運(yùn)行；

（3）系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，具有閉環(huán)模擬量回路的調(diào)節(jié)功能；

（4）一臺(tái)變頻器可拖動(dòng)兩臺(tái)主空壓機(jī)組，可使用操作按鈕進(jìn)行切換；

（5）根據(jù)空壓機(jī)組的工況要求，系統(tǒng)應(yīng)保證拖動(dòng)的交流三相異步電動(dòng)機(jī)具有恒轉(zhuǎn)矩的運(yùn)行特性；

（6）為了防止高次諧波干擾空壓機(jī)組變頻器，變頻器的輸入端應(yīng)當(dāng)具有抑制電磁干擾的有效措施；

（7）在供壓系統(tǒng)用氣量較小的情況下，變頻器處于低頻運(yùn)行時(shí)，應(yīng)保障電機(jī)繞組溫度和電機(jī)的噪音不超過允許的范圍；

（8）考慮到控制系統(tǒng)今后的擴(kuò)展和升級(jí)，變頻器的容量和主控制器輸入輸出點(diǎn)數(shù)應(yīng)當(dāng)有適當(dāng)?shù)脑Ａ浚詽M足將來工作狀況擴(kuò)展的要求。

3.控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)和控制原理簡介

根據(jù)系統(tǒng)原先存在的問題并考慮到技術(shù)改造后的生產(chǎn)工藝要求和技術(shù)要求，空壓機(jī)組采用PLC作為主控制器并擴(kuò)展模擬量輸入/輸出模塊，由變頻器拖動(dòng)主空壓機(jī)組，采用觸摸屏作為系統(tǒng)人機(jī)界面的總體設(shè)計(jì)方案。

控制系統(tǒng)由PLC基本單元擴(kuò)展出模擬量輸入/輸出模塊，通過壓力傳感器（變送器）實(shí)時(shí)檢測(cè)壓力值送入模擬量模塊進(jìn)行PLC內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)運(yùn)算，然后由模擬量輸出模塊輸出直流0～10V的電壓信號(hào)至變頻器，變頻器的輸出頻率信號(hào)通過模擬量輸出端子回送到PLC，構(gòu)成模擬量閉環(huán)控制回路。由壓力反饋測(cè)量置與壓力設(shè)定值進(jìn)行比較運(yùn)算，經(jīng)PID調(diào)節(jié)運(yùn)算實(shí)時(shí)控制變頻器的輸出頻率，從而調(diào)節(jié)三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使供氣系統(tǒng)空氣壓力穩(wěn)定在壓力設(shè)定值上。通過變頻器PU接口的RS-485串行通信可以讀入除頻率外的變頻器的其它運(yùn)行參數(shù)，如電流、電壓和功率等。

這樣由PLC、變頻器、三相交流異步電動(dòng)機(jī)、壓力傳感器（變送器）等組成壓力反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠自動(dòng)地調(diào)節(jié)三相交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使供氣系統(tǒng)空氣壓力穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)空壓站的恒壓控制。

控制系統(tǒng)的硬件選型和設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)的主要控制要求

采用PLC控制進(jìn)行空壓站技術(shù)改造后，系統(tǒng)的主要控制要求如下：

（1）控制系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式。在自動(dòng)運(yùn)行時(shí)（可預(yù)先設(shè)定變頻器控制的機(jī)組，1?；?＃機(jī)組）根據(jù)壓力傳感器輸出的模擬電流信號(hào)（4～20mA）由PLC進(jìn)行PID調(diào)節(jié)運(yùn)算，控制變頻器在25～50Hz之間節(jié)能地運(yùn)行。

3＃～5＃機(jī)組的控制要求為：①當(dāng)管道壓力低于工作壓力下限值（預(yù)先設(shè)定）并且變頻器輸出頻率在上限值（可預(yù)先設(shè)定）時(shí)，經(jīng)過延時(shí)（延時(shí)時(shí)間可設(shè)置）由PLC控制3＃、4＃其中一臺(tái)機(jī)組起動(dòng)，直至3?！?＃機(jī)組全部起動(dòng)；②當(dāng)管道壓力大于工作壓力上限值（預(yù)先設(shè)定）并且變頻器輸出頻率在下限值（可預(yù)先設(shè)定）時(shí)，經(jīng)過延時(shí)（延時(shí)時(shí)間可設(shè)置）按照“先起先?！钡脑瓌t由PLC停止3?！?＃中已經(jīng)運(yùn)行的一臺(tái)機(jī)組。同樣，在上述工作壓力和變頻器輸出頻率兩條件不變時(shí)，可繼續(xù)停一臺(tái)空壓機(jī)組直到停完所有備用的空壓機(jī)組；

（2）壓力信號(hào)取自壓力變送器，工作壓力上下限可由PLC設(shè)置；

（3）手動(dòng)工作時(shí)只有3＃、4＃、5＃機(jī)組的起、停可以通過手動(dòng)按鈕操作，其它工作情形和自動(dòng)工作方式時(shí)一樣；

（4）變頻器在PID調(diào)節(jié)故障時(shí)可以使用電位器進(jìn)行人工調(diào)速；

（5）人機(jī)界面要求。變頻器的運(yùn)行監(jiān)視參數(shù)可通過RS-485串行接口，經(jīng)PLC由觸摸屏進(jìn)行遠(yuǎn)程顯示。機(jī)組的起、停延時(shí)時(shí)間可通過觸摸屏修改（20～600s）。

2.系統(tǒng)的硬件選型

根據(jù)控制要求和控制規(guī)模的大小，這里選用三菱公司的FX系列小型PLC作為系統(tǒng)的主控制器，通訊擴(kuò)展板選用FX1N-485-BD，變頻器選用三菱的FR-A700系列，觸摸屏選用F940系列，壓力傳感器則選擇TPT503壓力傳感器。

（1）系統(tǒng)的主控制器——FX1N-40MR。FX1N系列屬于FX系列PLC中普及型的子系列，經(jīng)過擴(kuò)展適當(dāng)?shù)哪M量模塊并使用PID指令，完全可以滿足對(duì)中等規(guī)?？諌赫究刂葡到y(tǒng)閉環(huán)模擬量的控制要求。根據(jù)系統(tǒng)的控制規(guī)模和對(duì)I/O點(diǎn)數(shù)的要求，這里系統(tǒng)的控制器選擇的是FX1N-40MR，為繼電器輸出型，有24點(diǎn)開關(guān)量輸入，16點(diǎn)開關(guān)量輸出。

FX1N系列PLC在加裝了通信擴(kuò)展板FX1N-485-BD后，通過網(wǎng)線與變頻器的PU接口相連后可與之進(jìn)行PU接口的RS-485串行通信，變頻器的運(yùn)行監(jiān)控參數(shù)，如電流、電壓和功率等都可讀入到PLC中。

（2）模擬量輸入/輸出模塊——FX0N-3A。FX0N-3A模擬量輸入/輸出混合模塊有兩個(gè)模擬量輸入通道（0～10V電壓或4～20mA電流）和一個(gè)模擬量輸出通道。輸入通道接收模擬信號(hào)并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，輸出通道將內(nèi)部數(shù)字值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)比例的模擬信號(hào)。輸入/輸出通道選擇的電壓或電流形式由用戶的接線方式?jīng)Q定。FX0N-3A可以連接到FX2N、FX2NC、FX1N、FX0N等系列的PLC上。

FX0N-3A的最大分辨率為8位。FX0N-3A在PLC擴(kuò)展母線上占用8個(gè)I/O點(diǎn)。這8個(gè)I/O點(diǎn)可以分配給輸入或輸出。所有數(shù)據(jù)傳輸和參數(shù)設(shè)置都是使用PLC中的FROM/TO指令，通過編程調(diào)節(jié)控制的。PLC基本單元和FX0N-3A之間的通信由光電耦合器進(jìn)行保護(hù)。

FX0N-3A的端子和外部接線，如下圖所示。

（3）變頻器——FR-A700。變頻器的基本原理和應(yīng)用技術(shù)在第九章中已有介紹，讀者可以參見前面的相關(guān)內(nèi)容介紹。根據(jù)空壓站系統(tǒng)的壓力負(fù)荷，選擇的變頻器是三菱FR-A700系列的A740，功率為110kW。

（4）觸摸屏——F940。觸摸屏的基本原理和工業(yè)組態(tài)軟件技術(shù)在第九章中已有簡單介紹。在本控制系統(tǒng)中，采用F940作為人機(jī)交互的界面，它具有界面美觀、組態(tài)編程靈活、交互功能強(qiáng)等特點(diǎn)，便于與系統(tǒng)其它部分的集成。

（5）壓力傳感器。TPT503壓力傳感器采用全不銹鋼封焊結(jié)構(gòu)，具有良好的防潮能力及較好的介質(zhì)兼容性?？梢詮V泛用于工業(yè)設(shè)備、水利、化工、醫(yī)療、電力、空調(diào)、金剛石壓機(jī)、冶金、車輛制動(dòng)、樓宇供水等壓力測(cè)量與控制。

TPT503壓力傳感器的主要性能指標(biāo)如下：量程：0～1MPa（最小），0～450MPa（最大）；綜合精度：0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS；輸出型式：4～20mA/0～5V/1～5V/0～10V；工作溫度：-10～80℃（最窄），-10～-150（最寬）；供電電壓：9～36V；長期穩(wěn)定性：0.1%FS/年；負(fù)載阻抗：電流型最大800W，電壓型50KW以上。選用TPT503壓力傳感器可以滿足空壓站供氣壓力測(cè)量的要求。

空壓站PLC控制系統(tǒng)的硬件組成框圖，如下圖所示。

3.系統(tǒng)的主電路和控制電路

空壓站PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括主電路和控制電路的設(shè)計(jì)。

（1）主電路?？諌赫綪LC控制系統(tǒng)的主電路圖，如下圖所示。

（2）PLC外部接線圖和控制電路。空壓站控制系統(tǒng)PLC外部接線圖和控制電路圖（部分），如圖下圖所示。

控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)及人機(jī)界面設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的程序主要包括空壓機(jī)組邏輯控制程序、模擬量輸入輸出模塊讀寫、PID調(diào)節(jié)運(yùn)算程序和PLC與變頻器串行通信程序等。

1.空壓機(jī)組邏輯控制程序的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)時(shí)，除了應(yīng)滿足前面“1.系統(tǒng)的主要控制要求”中各機(jī)組起、停的邏輯控制外，在1＃、2＃機(jī)組切換時(shí)還應(yīng)滿足下述的編程聯(lián)鎖等要求：

（1）KA1、KA3不能同時(shí)接通。KA1、KA2不能同時(shí)接通。KA3、KA4不能同時(shí)接通；

（2）當(dāng)變頻器運(yùn)行時(shí)KM1、KM2不允許動(dòng)作；

（3）只有當(dāng)1?；?＃機(jī)組起動(dòng)信號(hào)及運(yùn)行信號(hào)到達(dá)后變頻器方可起動(dòng)（KA11接通）。

（4）當(dāng)1＃機(jī)組運(yùn)行時(shí)，禁止KM3操作。2＃機(jī)組運(yùn)行時(shí)，禁止KM4操作。KA1～KA4、KM1、KM2等電器元件在電路中的作用，如圖上圖所示。

下面只給出了1＃、2＃機(jī)組變頻起動(dòng)控制部分的程序，如下圖所示，其它機(jī)組的邏輯控制程序這里從略。

2.模擬量輸入輸出模塊讀、寫及PID調(diào)節(jié)運(yùn)算程序的設(shè)計(jì)

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指令FROM、寫指令TO和模擬量輸入輸出模塊FX0N-3A中的緩沖存儲(chǔ)器（BFM）交互數(shù)據(jù)的。

PLC基本單元通過寫指令FROM起動(dòng)模擬量輸入/輸出模塊FX0N-3A通道1的A/D轉(zhuǎn)換，讀取通道1緩沖存儲(chǔ)器BFM＃0的A/D轉(zhuǎn)換值的程序，即讀取空壓站系統(tǒng)壓力測(cè)量值的梯形圖程序，如下圖所示。

在上圖中，第二個(gè)T40常開觸點(diǎn)連接的第一、二行程序表示對(duì)0號(hào)模塊（FX0N-3A）選擇了模擬量輸入通道1（BFM＃17的b0=0），并且起動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換處理（BFM＃17的b1=0→1），第三行程序表示FX0N-3A輸入通道1的壓力傳感器模擬量電流信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字量后寫入到D10中。

通過FX0N-3A模擬量輸出通道緩沖存儲(chǔ)器設(shè)定變頻器給定頻率的梯形圖程序，如下圖所示。

在上圖中，第一、二行程序表示FX0N-3A模擬量輸出通道起動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換處理（BFM＃17的b2=0→1），應(yīng)注意FX0N-3A模塊只有一個(gè)模擬量輸出通道。在FX0N-3A中的BFM＃16緩沖存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)了PLC數(shù)據(jù)寄存器D350中的數(shù)字量，第三行程序表示存儲(chǔ)在PLC數(shù)據(jù)寄存器D350中的數(shù)字量，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出與之成比例的模擬量。這里PLC數(shù)據(jù)寄存器存儲(chǔ)的數(shù)字量為0～250，對(duì)應(yīng)的輸出電壓為0～10V。

3. PID調(diào)節(jié)運(yùn)算程序

經(jīng)FX0N-3A模塊的輸入通道經(jīng)A/D變換后進(jìn)入PLC的壓力變換數(shù)字量，經(jīng)PID指令進(jìn)行調(diào)節(jié)運(yùn)算后再通過FX0N-3A模塊的輸出通道送入變頻器A740的模擬量輸入端。

4. PLC與變頻器串行通信程序的設(shè)計(jì)

（1）硬件連接

為了實(shí)現(xiàn)PLC與變頻器的PU接口的串行通信，PLC需加裝擴(kuò)展通信板FX1N-485-BD。變頻器A740的SDA端與PLC的擴(kuò)展通信板的RDA端相連，變頻器的SDB端與PLC通信板的RDB端相連，變頻器的RDA與PLC通信板的SDA相連，變頻器的RDB端與PLC通信板的SDB端相連，變頻器的SG端與PLC擴(kuò)展通信板的SG相連。

（2）變頻器通信參數(shù)設(shè)置

在變頻器A740中需要設(shè)置的與PU接口串行通信有關(guān)的主要參數(shù)如下：

Pr.79：PU模式操作權(quán)選擇，這里設(shè)置為3，起動(dòng)信號(hào)來自開關(guān)量輸入端子，運(yùn)行頻率來自外部輸入模擬信號(hào)；

Pr.117：通信站號(hào)0～31，設(shè)置變頻器的站號(hào)，這里設(shè)為1；

Pr.118：通信速率，這里設(shè)定為96，即設(shè)定的通信波特率為9600bit/s；

Pr.119：通信停止位長度，這里設(shè)定為11，數(shù)據(jù)長度7位，停止位為2位；

Pr.120：通信奇偶校驗(yàn)設(shè)定，這里設(shè)置為2，為偶校驗(yàn)；

Pr.121：通信再試次數(shù)，這里設(shè)置9999，即使發(fā)生通信錯(cuò)誤變頻器也不停止；

Pr.122：通信校驗(yàn)時(shí)間間隔，這里設(shè)置為9999，通信校驗(yàn)終止；

Pr.123：通信等待時(shí)間，這里設(shè)置為9999，用通信數(shù)據(jù)設(shè)定；

Pr.124：通信CR/LF選擇，這里設(shè)置為0，選擇無CR，LF；

應(yīng)注意，參數(shù)Pr.122需設(shè)置為9999，否則當(dāng)通信結(jié)束后且通信校驗(yàn)互鎖時(shí)間到時(shí)變頻器會(huì)產(chǎn)生報(bào)警并停止。

（3）PLC通信格式的設(shè)置

三菱FX系列PLC在進(jìn)行計(jì)算機(jī)鏈接（使用專用協(xié)議）和無協(xié)議通信（使用RS指令）時(shí)，都需要對(duì)串信通信格式特殊數(shù)據(jù)寄存器D8120進(jìn)行設(shè)置，可參見前面第八章第二節(jié)的相關(guān)內(nèi)容介紹。設(shè)定通信格式包括通信速率、數(shù)據(jù)長度、奇偶校驗(yàn)、停止位長度和協(xié)議格式等。在設(shè)置了特殊數(shù)據(jù)寄存器D8120的通信格式后，應(yīng)關(guān)掉PLC的電源后再重新上電。

這里D8120設(shè)置為十六進(jìn)制數(shù)0C8E（二進(jìn)制數(shù)的0000 1100 1000 1110，最高位為b15，最低位為b0），即采用無協(xié)議通信，RS-485串口，數(shù)據(jù)長度為7位，偶校驗(yàn)，2位停止位，波特率為9600 bit/s，無起始符和終止符，無添加和校驗(yàn)碼。

（4）PLC與變頻器串行通信程序的設(shè)計(jì)

PLC與變頻器串行通信程序的設(shè)計(jì)需遵循三菱變頻器專用通信協(xié)議，套用通信協(xié)議中的相關(guān)格式。有關(guān)這部分具體內(nèi)容讀者可參考三菱變頻器使用手冊(cè)，這里不再詳細(xì)介紹。另外，通信程序中還需要用到串行通信指令RS、HEX→ASCII碼轉(zhuǎn)換指令A(yù)SCI、校驗(yàn)碼指令CCD等。

4.人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的人機(jī)界面采用了觸摸屏F940，界面美觀、人機(jī)對(duì)話友善?？諌簷C(jī)控制系統(tǒng)的參數(shù)顯示界面，如下圖所示。

空壓機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造后取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。實(shí)際運(yùn)行效果表明，大量的節(jié)約了能源，降低了運(yùn)行成本，提高了供氣壓力的控制精度?？諌簷C(jī)組的機(jī)械使用壽命明顯延長，空壓機(jī)的噪音問題得到了改善。整個(gè)控制系統(tǒng)運(yùn)行安全、可靠、穩(wěn)定，大大提高了控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。