空壓站控制系統(tǒng)總體方案設計

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

某機車車輛廠空壓站原先采用繼電器控制系統(tǒng)對5臺空壓機組的進行控制。每臺機組均有一個起動柜實施Y－△降壓起動，系統(tǒng)僅有手動操作方式。在原系統(tǒng)中，1＃、2＃為主工作空壓機組（功率各為110KW），2臺空壓機組按一定的周期輪流工作。3?！?#為備用空壓機組（功率各為30KW），當1?；?＃空壓機組工作而系統(tǒng)仍供氣壓力不足時，將起動其中1臺乃至3臺直到滿足供氣壓力為止。

（2）原控制系統(tǒng)存在主要問題

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

②當主空壓機組處于工頻運行時，空壓機運行時噪音大，對周圍造成嚴重的聲音環(huán)境污染；

③主電機工頻起動對設備的沖擊大，電機軸承易磨損，機械設備的維護工作量大；

④主空壓機組經(jīng)常處于空載運行，浪費電能現(xiàn)象嚴重，很不經(jīng)濟；

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

2.改造技術要求

實施技術改造后系統(tǒng)應滿足的主要技術要求如下：

（1）三相異步電動機變頻運行時應保持供壓系統(tǒng)出口壓力穩(wěn)定，壓力波動范圍不能超過±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）一臺變頻器可拖動兩臺主空壓機組，可使用操作按鈕進行切換；

（5）根據(jù)空壓機組的工況要求，系統(tǒng)應保證拖動的交流三相異步電動機具有恒轉(zhuǎn)矩的運行特性；

（6）為了防止高次諧波干擾空壓機組變頻器，變頻器的輸入端應當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，變頻器處于低頻運行時，應保障電機繞組溫度和電機的噪音不超過允許的范圍；

（8）考慮到控制系統(tǒng)今后的擴展和升級，變頻器的容量和主控制器輸入輸出點數(shù)應當有適當?shù)脑Ａ?，以滿足將來工作狀況擴展的要求。

3.控制系統(tǒng)總體方案設計和控制原理簡介

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

控制系統(tǒng)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（變送器）實時檢測壓力值送入模擬量模塊進行PLC內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)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(huán)控制回路。由壓力反饋測量置與壓力設定值進行比較運算，經(jīng)PID調(diào)節(jié)運算實時控制變頻器的輸出頻率，從而調(diào)節(jié)三相異步電動機的轉(zhuǎn)速，使供氣系統(tǒng)空氣壓力穩(wěn)定在壓力設定值上。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、三相交流異步電動機、壓力傳感器（變送器）等組成壓力反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠自動地調(diào)節(jié)三相交流異步電動機的轉(zhuǎn)速，使供氣系統(tǒng)空氣壓力穩(wěn)定在設定范圍內(nèi)，實現(xiàn)空壓站的恒壓控制。

控制系統(tǒng)的硬件選型和設計

1.系統(tǒng)的主要控制要求

采用PLC控制進行空壓站技術改造后，系統(tǒng)的主要控制要求如下：

（1）控制系統(tǒng)有手動和自動兩種方式。在自動運行時（可預先設定變頻器控制的機組，1?；?＃機組）根據(jù)壓力傳感器輸出的模擬電流信號（4～20mA）由PLC進行PID調(diào)節(jié)運算，控制變頻器在25～50Hz之間節(jié)能地運行。

3＃～5＃機組的控制要求為：①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（可預先設定）時，經(jīng)過延時（延時時間可設置）由PLC控制3＃、4＃其中一臺機組起動，直至3?！?＃機組全部起動；②當管道壓力大于工作壓力上限值（預先設定）并且變頻器輸出頻率在下限值（可預先設定）時，經(jīng)過延時（延時時間可設置）按照“先起先?！钡脑瓌t由PLC停止3＃～5＃中已經(jīng)運行的一臺機組。同樣，在上述工作壓力和變頻器輸出頻率兩條件不變時，可繼續(xù)停一臺空壓機組直到停完所有備用的空壓機組；

（2）壓力信號取自壓力變送器，工作壓力上下限可由PLC設置；

（3）手動工作時只有3＃、4＃、5＃機組的起、?？梢酝ㄟ^手動按鈕操作，其它工作情形和自動工作方式時一樣；

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

（5）人機界面要求。變頻器的運行監(jiān)視參數(shù)可通過RS-485串行接口，經(jīng)PLC由觸摸屏進行遠程顯示。機組的起、停延時時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)過擴展適當?shù)哪M量模塊并使用PID指令，完全可以滿足對中等規(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I/O點數(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點開關量輸入，16點開關量輸出。

FX1N系列PLC在加裝了通信擴展板FX1N-485-BD后，通過網(wǎng)線與變頻器的PU接口相連后可與之進行PU接口的RS-485串行通信，變頻器的運行監(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模擬量輸入通道（0～10V電壓或4～20mA電流）和一個模擬量輸出通道。輸入通道接收模擬信號并將模擬信號轉(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?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(shù)據(jù)傳輸和參數(shù)設置都是使用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行保護。

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用技術在第九章中已有介紹，讀者可以參見前面的相關內(nèi)容介紹。根據(jù)空壓站系統(tǒng)的壓力負荷，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作為人機交互的界面，它具有界面美觀、組態(tài)編程靈活、交互功能強等特點，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構，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)設備、水利、化工、醫(yī)療、電力、空調(diào)、金剛石壓機、冶金、車輛制動、樓宇供水等壓力測量與控制。

TPT503壓力傳感器的主要性能指標如下：量程：0～1MPa（最?。?，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(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)的程序設計及人機界面設計

控制系統(tǒng)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(diào)節(jié)運算程序和PLC與變頻器串行通信程序等。

1.空壓機組邏輯控制程序的設計

在進行控制系統(tǒng)的程序設計時，除了應滿足前面“1.系統(tǒng)的主要控制要求”中各機組起、停的邏輯控制外，在1＃、2＃機組切換時還應滿足下述的編程聯(lián)鎖等要求：

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

（2）當變頻器運行時KM1、KM2不允許動作；

（3）只有當1?；?＃機組起動信號及運行信號到達后變頻器方可起動（KA11接通）。

（4）當1＃機組運行時，禁止KM3操作。2＃機組運行時，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＃機組變頻起動控制部分的程序，如下圖所示，其它機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)運算程序的設計

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中的緩沖存儲器（BFM）交互數(shù)據(jù)的。

PLC基本單元通過寫指令FROM起動模擬量輸入/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)壓力測量值的梯形圖程序，如下圖所示。

在上圖中，第二個T40常開觸點連接的第一、二行程序表示對0號模塊（FX0N-3A）選擇了模擬量輸入通道1（BFM＃17的b0=0），并且起動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器設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D/A轉(zhuǎn)換處理（BFM＃17的b2=0→1），應注意FX0N-3A模塊只有一個模擬量輸出通道。在FX0N-3A中的BFM＃16緩沖存儲器中存儲了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)寄存器存儲的數(shù)字量為0～250，對應的輸出電壓為0～10V。

3. PID調(diào)節(jié)運算程序

經(jīng)FX0N-3A模塊的輸入通道經(jīng)A/D變換后進入PLC的壓力變換數(shù)字量，經(jīng)PID指令進行調(diào)節(jié)運算后再通過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計

（1）硬件連接

為了實現(xiàn)PLC與變頻器的PU接口的串行通信，PLC需加裝擴展通信板FX1N-485-BD。變頻器A740的SDA端與PLC的擴展通信板的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擴展通信板的SG相連。

（2）變頻器通信參數(shù)設置

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

Pr.79：PU模式操作權選擇，這里設置為3，起動信號來自開關量輸入端子，運行頻率來自外部輸入模擬信號；

Pr.117：通信站號0～31，設置變頻器的站號，這里設為1；

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

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

Pr.120：通信奇偶校驗設定，這里設置為2，為偶校驗；

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

Pr.122：通信校驗時間間隔，這里設置為9999，通信校驗終止；

Pr.123：通信等待時間，這里設置為9999，用通信數(shù)據(jù)設定；

Pr.124：通信CR/LF選擇，這里設置為0，選擇無CR，LF；

應注意，參數(shù)Pr.122需設置為9999，否則當通信結束后且通信校驗互鎖時間到時變頻器會產(chǎn)生報警并停止。

（3）PLC通信格式的設置

三菱FX系列PLC在進行計算機鏈接（使用專用協(xié)議）和無協(xié)議通信（使用RS指令）時，都需要對串信通信格式特殊數(shù)據(jù)寄存器D8120進行設置，可參見前面第八章第二節(jié)的相關內(nèi)容介紹。設定通信格式包括通信速率、數(shù)據(jù)長度、奇偶校驗、停止位長度和協(xié)議格式等。在設置了特殊數(shù)據(jù)寄存器D8120的通信格式后，應關掉PLC的電源后再重新上電。

這里D8120設置為十六進制數(shù)0C8E（二進制數(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，2位停止位，波特率為9600 bit/s，無起始符和終止符，無添加和校驗碼。

（4）PLC與變頻器串行通信程序的設計

PLC與變頻器串行通信程序的設計需遵循三菱變頻器專用通信協(xié)議，套用通信協(xié)議中的相關格式。有關這部分具體內(nèi)容讀者可參考三菱變頻器使用手冊，這里不再詳細介紹。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ASCI、校驗碼指令CCD等。

4.人機界面的設計

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

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