空壓站控制系統總體方案設計

1.原空壓站電氣控制系統存在的問題

（1）原控制系統工作過程

某機車車輛廠空壓站原先采用繼電器控制系統對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，系統僅有手動操作方式。在原系統中，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＃～5#為備用空壓機組（功率各為30KW），當1＃或2＃空壓機組工作而系統仍供氣壓力不足時，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的穩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主空壓機組經常處于空載運行，浪費電能現象嚴重，很不經濟；

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

2.改造技術要求

實施技術改造后系統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出口壓力穩定，壓力波動范圍不能超過±0.1Mpa；

（2）控制系統可以選擇在變頻和工頻兩種工況下運行；

（3）系統采用閉環控制，具有閉環模擬量回路的調節功能；

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

（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應當有適當的裕量，以滿足將來工作狀況擴展的要求。

3.控制系統總體方案設計和控制原理簡介

根據系統原先存在的問題并考慮到技術改造后的生產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人機界面的總體設計方案。

控制系統由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內部的PID調節運算，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PID調節運算實時控制變頻器的輸出頻率，從而調節三相異步電動機的轉速，使供氣系統空氣壓力穩定在壓力設定值上。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，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控制系統，能夠自動地調節三相交流異步電動機的轉速，使供氣系統空氣壓力穩定在設定范圍內，實現空壓站的恒壓控制。

控制系統的硬件選型和設計

1.系統的主要控制要求

采用PLC控制進行空壓站技術改造后，系統的主要控制要求如下：

（1）控制系統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＃或2＃機組）根據壓力傳感器輸出的模擬電流信號（4～20mA）由PLC進行PID調節運算，控制變頻器在25～50Hz之間節能地運行。

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＃～5＃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，經過延時（延時時間可設置）按照“先起先停”的原則由PLC停止3＃～5＃中已經運行的一臺機組。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、停可以通過手動按鈕操作，其它工作情形和自動工作方式時一樣；

（4）變頻器在PID調節故障時可以使用電位器進行人工調速；

（5）人機界面要求。變頻器的運行監視參數可通過RS-485串行接口，經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.系統的硬件選型

根據控制要求和控制規模的大小，這里選用三菱公司的FX系列小型PLC作為系統的主控制器，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，經過擴展適當的模擬量模塊并使用PID指令，完全可以滿足對中等規模空壓站控制系統閉環模擬量的控制要求。根據系統的控制規模和對I/O點數的要求，這里系統的控制器選擇的是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，變頻器的運行監控參數，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換成數字值，輸出通道將內部數字值轉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決定。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。所有數據傳輸和參數設置都是使用PLC中的FROM/TO指令，通過編程調節控制的。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容介紹。根據空壓站系統的壓力負荷，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組態軟件技術在第九章中已有簡單介紹。在本控制系統中，采用F940作為人機交互的界面，它具有界面美觀、組態編程靈活、交互功能強等特點，便于與系統其它部分的集成。

（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兼容性。可以廣泛用于工業設備、水利、化工、醫療、電力、空調、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控制系統的硬件組成框圖，如下圖所示。

3.系統的主電路和控制電路

空壓站PLC控制系統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PLC外部接線圖和控制電路圖（部分），如圖下圖所示。

控制系統的程序設計及人機界面設計

控制系統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調節運算程序和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

在進行控制系統的程序設計時，除了應滿足前面“1.系統的主要控制要求”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＃或2＃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調節運算程序的設計

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）交互數據的。

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轉換，讀取通道1緩沖存儲器BFM＃0的A/D轉換值的程序，即讀取空壓站系統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過A/D轉換變為數字量后寫入到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數據寄存器D350中的數字量，第三行程序表示存儲在PLC數據寄存器D350中的數字量，經D/A轉換后輸出與之成比例的模擬量。這里PLC數據寄存器存儲的數字量為0～250，對應的輸出電壓為0～10V。

3. PID調節運算程序

經FX0N-3A模塊的輸入通道經A/D變換后進入PLC的壓力變換數字量，經PID指令進行調節運算后再通過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，數據長度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，這里設置9999，即使發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，用通信數據設定；

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（使用專用協議）和無協議通信（使用RS指令）時，都需要對串信通信格式特殊數據寄存器D8120進行設置，可參見前面第八章第二節的相關內容介紹。設定通信格式包括通信速率、數據長度、奇偶校驗、停止位長度和協議格式等。在設置了特殊數據寄存器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0C8E（二進制數的0000 1100 1000 1110，最高位為b15，最低位為b0），即采用無協議通信，RS-485串口，數據長度為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議，套用通信協議中的相關格式。有關這部分具體內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碼轉換指令ASCI、校驗碼指令CCD等。

4.人機界面的設計

系統的人機界面采用了觸摸屏F940，界面美觀、人機對話友善。空壓機控制系統的參數顯示界面，如下圖所示。

空壓機控制系統進行改造后取得了明顯的經濟效益和社會效益。實際運行效果表明，大量的節約了能源，降低了運行成本，提高了供氣壓力的控制精度。空壓機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。整個控制系統運行安全、可靠、穩定，大大提高了控制系統的自動化水平。