基于PLC的螺杆式空压机控制系统的设计
【摘要】针对螺杆式空压机运行条件恶劣、故障频出的情况，分析了空压机的控制要求，设计了基于PLC的控制系统，详细介绍了系统的软、硬件设计及工作原理。实践表明，该控制系统稳定性好，可靠性高，完全满足控制要求。
【关键词】螺杆式空压机；PLC；控制系统
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
压缩空气是现代工业生产中不可缺少的动力源，在工业应用领域被认为是仅次于电力的第二大动力能源，其应用领域遍布冶金、化工、烟草、机械、医药、食品等行业。空压机是气源装置中的主体，它是将原动机的机械能转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置[1，2]。由于空压机的使用外部空气进行动力转换，从某种意义上来讲，是一种取之不尽的能源。其中，螺杆式空压机凭借其可靠性高等优点占据了其中很大的份额。但是因为空压机设备运行时会有很多的问题，比如相序错误、电流过载、缺相、耗材使用时间到等，国内外相关此类的安全事故也时有发生[3，4]。因此，设计一个可靠的螺杆式空压机控制系统十分有必要。在充分了解螺杆式空压机设备使用情况的前提下，根据螺杆式空压机控制器的功能需求，充分查阅资料，对比多种方案，最终设计了以单片机为核心的空压机控制系统。
1 螺杆式空压机基本结构
空压机系统如图 1 所示，主要由空压机本机、储气罐、PLC控制器、传感器等组成。其中空压机本机主要包括空压机主机（机头）、油水分离筒、油分离器、油过滤器、水分离器、冷却扇、电机等。空压机无调速要求，故没有采用变频器。空压机型号为LRL-220型（22Kw，380V，3.8m3/min，0.7MPa），由三相交流异步电动机驱动。
图1 螺杆式空压机控制系统组成方框图
2 控制系统设计
2.1 相关要求
2.1.1 性能要求
（1）安全性：由于其工作特点和使用环境的限制，决
定了整个系统在工作时是有一定的危险系数存在的，因此在系统的设计中，要从硬件和软件两方面去保证整个系统的安全问题，并考虑最差情况下的手动强制措施；（2）稳定性：控制对象有380V 交流电，而且一般工作环境都是大型设备集群区域，导致系统对于稳定性有很大的要求；（3）易操作性和可维护性：设计控制系统的时候，一定要考虑是否具有简便的操作性，设计时要考虑菜单的清晰化和操作的简便化，对于按键操作，在满足功能要求的情况下，要力求简洁明了；另外，在设计的时候需考虑设备的可维护性[5]。
2.1.2 参数要求
（1）输入电源为三相交流380V；（2）开关量输入，包括开关、急停等；开关量输出，包括风机、主机、指示灯、故障报警输出灯等；（3）一路温度测试电路，一路压力测试电路；两组三相电流（主机、风机）输入，通过电流互感器进行相关测试；（4）显示：人机界面方式显示，人机界面包括点阵式液晶、按键、指示灯；（5）380V 相序检测，判断
是否相序错误，并在设定的动作时间内进行保护；（6）电机保护：对主电机有缺相、逆向电流不平衡、过电流保护功能，
对风扇电机（后简称为风机）有过载保护功能。缺相、逆向保护采用欠逆相检知继电器；过电流保护采用热动继电器和电流互感器[6]。
2.1.3 控制要求
基本控制要求为润滑油压油温超限保护、断水保护、排气温度超限保护、空压机气压超限压力保护、启动功能、停止功能、保护及故障报警功能、负荷/无负荷运行切换。
如果排出压力下降到负荷压力，根据压力传感器的信号操作电路板使电磁阀励磁。控制空气经过电磁阀被输送到吸入闭锁阀，活塞运转阀门板打开，空气被吸入压缩机主机，开始压缩。同时吸入闭锁阀内的放气阀关闭，油水分离筒停止放气。如果空气消耗量减少，排出压力上升到无负荷压力，则根据压力传感器的信号操作电路板使电磁阀消磁，控制空气经电磁阀，将气体释放到大气。通过弹簧的力量，活塞被压回，吸入阀门板关闭，压缩机机身的空气吸入停止。同时放气阀打开，油水分离筒内的压力下降，进行无负荷运转。如果无负荷运转继续，则压缩机自动停止运转。
2.2 硬件设计
螺杆式空压机的控制系统主要包括PLC、继电器输出控制、模拟量输入模块、电动机、电磁阀、人机界面等组成，如图2所示。
图2 螺杆式空压机PLC控制系统组成原理图
2.2.1 PLC及模拟量扩展模块的选择（1）该控制系统的PLC选用了三菱FX2N-32MR系列。输入模块的作用是采集螺杆式空压机的各种状态信息，包括运行情况、故障情况、各传感器信号等，然后传送给PLC进行信息处理。输出模块的作用是PLC将控制信息输出以实现对空压机的控制。
由于PLC的基本单元只配置了数字量接口，为了采集空压机各传感器的模拟量输入信号，在PLC基本单元的基础上扩展了1 个模拟量输入模块FX2N-4AD[7]。该模块有4个输入通道，每个通道都可进行AD转换，分辩率为12位，采集信号电压为-10V～+10V。电流输入时，为4～20mA或-20～20mA，分辩率20uA。通道初始化时设BFM#0=H3111，表示CH1、CH2、CH3的输入范围皆为4～20mA，CH4关闭。
2.2.2 传感器的选择
本系统中采用的温度传感器为米科牌P202一体化温度变送器，其测量范围为-50～350℃，采用24VDC电源供电，输出4～20 mA直流信号，精度等级为0.5，完全防水。压力传感器选择联测仪表的MIK-P300型压力变送器，其工作电源为24V DC，输出4～20 mA直流信号，量程为0～1 MPa，精度等级为0.1。电流传感器选择KXT273I，其输入范围为
1A-400A，输出4～20 mA直流信号，线性度为0.1%。
2.2.3 继电器的选择
相序保护可采用相序继电器，当电路中相序与指定相序
不符时，相序继电器将触发动作，切断控制电路的电源从而达到切断电动机电源、保护电动机的目的。本系统中采用的相序继电器为安良APR-3S欠逆相检知继电器，电源型式为三相三线式。中间继电器采用欧姆龙牌，主要用于扩展触点数量。热继电器-型号为RHN-10K，主要用来对异步电动机进行过载保护。
2.3 软件设计
2.3.1 输入/输出端口分配
表1 输入/输出端口分配表
2.3.2 控制原理
系统起动后，先初始化运行，PLC将采集温度传感器、压力传感器、电流传感器、欠逆相检知继电器等信号，通过程序运行以实现对空压机的各种控制，控制动作主要包括起动、停止、电磁阀通断、急停、报警输出等，控制流程如图3所示。
图3 PLC控制流程图
3 结论
本文详细地分析了基于PLC的螺杆式空压机控制系统设计，以三菱FX2N-32MR系列PLC为控制核心，并在此基础上扩展了模拟量输入模块FX2N-4AD，结合了传感器、外围电路。该控制系统稳定性好、可靠性高，具有一定的可行性。
【参考文献】
[1]王瑾辉，张小亮，孔平.基于空压机系统的组态控制[J].机床与液压，2010，38（22）：98-101.
[2]汤钰鹏，李永平，徐建军.空压机系统的自动化节能控制[J].仪器仪表学报，2002，24：651-653.
[3]张旭领，赵武，唐爱民.基于PIC单片机的螺杆式空压机控制器[J].单片机开发与应用，2009，25（9）：89-90.
[4]张建国，梁南丁.矿山固定设备电气控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，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]李宝顺.螺杆式空气压缩机智控制器的研制[J].流体机械，2005，33（7）：56-59.
[7]电气控制与PLC应用[M].北京：人民邮电出版社，2012.
[责任编辑：杨玉洁]