【摘 要】以PLC應(yīng)用于空壓站電氣控制系統(tǒng)的技術(shù)改造實(shí)例，對PLC與變頻器的通信及系統(tǒng)人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】PLC控制系統(tǒng) 空壓站 變頻調(diào)速 控制系統(tǒng)

【中圖分類號】 G 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A

【文章編號】0450-9889（2015）06C-0179-03

工業(yè)企業(yè)空氣壓縮站（簡稱空壓站）或空氣壓縮機(jī)房（簡稱空壓機(jī)房），使用壓縮空氣作為重要生產(chǎn)動力源。目前越來越多的自動化設(shè)備應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場，如正業(yè)控制汁算機(jī)、PLC、觸摸屏和變頻器等，利用這些設(shè)備可以大大地提高設(shè)備的自動化水平、生產(chǎn)效率和控制精度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能降耗和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

一、控制系統(tǒng)的控制要求和原理

（一）系統(tǒng)的主要控制要求。采用PLC控制變頻器進(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)有手動和自動兩種方式。在自動運(yùn)行時(shí)（手動預(yù)先設(shè)定變頻器控制的機(jī)組，1號或2號機(jī)組）。根據(jù)壓力傳感器輸出的模擬電壓或電流信號（0～10V或4—20mA）由PLC進(jìn)行PID調(diào)節(jié)運(yùn)算，控制變頻器在15～50Hz之間節(jié)能地運(yùn)行。其中，3～5號備用機(jī)組的控制要求為：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（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控制啟動3、4號其中一臺機(jī)組，直至3～5號機(jī)組全部啟動；當(dāng)管道壓力大于工作壓力上限值（預(yù)先設(shè)定），并且變頻器輸出在下限（可設(shè)定），經(jīng)延時(shí)（延時(shí)時(shí)間可設(shè)置）由PLC停止3、4號其中一臺機(jī)組。同樣上述兩條件不變可再停一臺，直到停完。

2.壓力信號取自壓力傳感器或變送器，系統(tǒng)工作壓力上、下限可由PLC設(shè)定。

3.手動工作時(shí)只有3、4、5號機(jī)組的啟、停通過手動按鈕操作，其他工作情形與自動工作方式時(shí)一樣。

4.變頻器在PID調(diào)節(jié)故障時(shí)可使用電位器人工進(jìn)行調(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)組的啟、停延時(shí)時(shí)間可通過觸摸屏修改（20～6005）。

（二）控制系統(tǒng)的控制原理。控制系統(tǒng)的控制原理主要是：由PLC基本單元擴(kuò)展出模擬量輸入/輸出模塊，通過壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測壓力值送人模擬量模塊進(jìn)行PLC內(nèi)部的調(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(gòu)成模擬量閉環(huán)控制回路。由壓力傳感器測量實(shí)際壓力后與壓力設(shè)定值進(jìn)行比較，經(jīng)PLC內(nèi)部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)空壓機(jī)（三相異步電動機(jī)）的轉(zhuǎn)速，使供氣系統(tǒng)空氣壓力穩(wěn)定在設(shè)定壓力值上。通過變頻器PU接口的RS—485串行通信可以讀人變頻器除頻率外的其他主要運(yùn)行參數(shù)，如電流、功率和電壓等。

這樣由PLC、變頻器、三相交流異步電動機(jī)、壓力傳感器（變送器）等組成的壓力反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠自動地調(diào)節(jié)三相交流異步電動機(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)，進(jìn)行恒壓控制。

二、控制系統(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，模擬量輸入輸出模塊選用FXlN?！?85BD，變頻器選用三菱的FR—A700系列，觸摸屏選用上海步科電氣的eView系列MT510，壓力傳感器則選擇TPTS03型壓力傳感器。

（一）系統(tǒng)的主控制器——FXlN—40MR。FXlN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(diǎn)數(shù)的要求，系統(tǒng)的控制器選擇FXlN—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。

FXlN系列PLC在加裝了通信擴(kuò)展板FXlN—485—BD后，通過網(wǎng)線與變頻器的PU接口相連后，可與之進(jìn)行由PU接口引出的RS—485串行通信，讀取變頻器的監(jiān)控參數(shù)，如實(shí)際頻率、電流、功率和電壓等。

（二）模擬量輸入輸出模塊——FXON—3A。FXON—3A模擬量輸入輸出混合模塊有兩個(gè)輸入通道（0～10V電壓或4—20mA電流）和一個(gè)輸出通道。輸人通道接收模擬信號并將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，輸出通道采用數(shù)字值并輸出成對應(yīng)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。FXON—3A可以連接到FX2N＼FX2NC、FXl1N、FXIN等系列的可編程序控制器上。FXON—3A的最大分辨率為8位。FXON—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FXON—3A的軟件控制調(diào)節(jié)。PLC與FXON—3A之間的通信由光電耦合器進(jìn)行保護(hù)。

FXON—3A的端子和外部接線如圖1所示。

（三）變頻器——FR—A700。變頻器的基本原理和應(yīng)用技術(shù)在第四章中已有介紹，讀者可以參見前面的相關(guān)內(nèi)容。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。

（四）觸摸屏——MT510。在本控制系統(tǒng)中，采用MT510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)其他部分集成。

三、控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

（一）控制系統(tǒng)的硬件總體組成?？諌赫綪LC控制系統(tǒng)的硬件總體組成框圖如圖2所示。FXON—3A模擬量模塊的輸入通道可讀取壓力、溫度傳感器的測量值，其輸出通道輸出0～10V電壓信號作為變頻器FR—A740的頻率給定。變頻器FR—A740的PU接口與加裝了FXlN—485BD通信板的FXly4系列PLC可實(shí)現(xiàn)基于RS—485總線的串行通信，PLC便能夠讀人變頻器的電流、功率和電壓等運(yùn)行參數(shù)。

圖2 空壓站PLC控制系統(tǒng)硬件總體組成框圖

（二）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)的主電路如圖3所示。

2.控制電路?？諌赫究刂葡到y(tǒng)PLC外部接線圖和控制電路圖（部分）分別如圖4和圖5所示。

四、PLC的程序設(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。

（一）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“系統(tǒng)的主要控制要求”中各機(jī)組啟、停的邏輯控制外，在1、2號機(jī)組切換時(shí)還應(yīng)滿足下述的編程聯(lián)鎖等要求：

1.KAl、KA3不能同時(shí)接通；KAl、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)，KMl、KM2不允許動作。

3.只有當(dāng)1號或2號機(jī)組啟動信號及運(yùn)行信號到達(dá)后變頻器方可啟動（KAll接通）。

4.1號機(jī)組運(yùn)行時(shí)，禁止KM3操作；2號機(jī)組運(yùn)行時(shí)，禁止KM4操作。KAl—KA4、KMl、KM2等電器元件在電路中的作用，可參見圖3和圖5。

下面只給出了1、2號機(jī)組變頻啟動控制部分的程序，如圖6所示，其他機(jī)組的邏輯控制程序從略。

（二）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、寫指令FROM、TO和模擬量輸入輸出模塊FXON—3A中的緩沖存儲器（BFM）交互數(shù)據(jù)的。FROM、TO指令的使用可參見第四章的介紹。FXON—3A緩沖存儲器的分配見表l。

【作者簡介】周正杰（1973- ），男，廣西人，碩士，廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，工程師，研究方向：電工技術(shù)，電力系統(tǒng)及自動化。

（責(zé)編 黎 原）