朱 芳

(國(guó)營(yíng)安慶海燕機(jī)械廠，安徽 安慶 246001)

1 引言

高壓空壓機(jī)是艦船重要的輔助設(shè)備，產(chǎn)品的質(zhì)量直接影響到艦船的供氣保障。隨著海軍裝備的快速發(fā)展，40 MPa高壓氣源需求日趨增大，對(duì)艦船用高壓空壓機(jī)提出了越來(lái)越高的要求，體積小、重量輕、噪聲低、振動(dòng)小、可靠性高已成為空壓機(jī)技術(shù)發(fā)展的主趨勢(shì)[1]。傳統(tǒng)的空壓機(jī)控制方法自動(dòng)化程度低，操作維護(hù)人員的工作量大，對(duì)空壓機(jī)的壽命有很大的影響[2]。為滿足新造及改換裝高壓空氣系統(tǒng)供氣需求，設(shè)計(jì)一套安全可靠的控制系統(tǒng)，保證高壓空壓機(jī)組性能穩(wěn)定可靠，具有現(xiàn)實(shí)意義。

本設(shè)計(jì)應(yīng)用西門子S7-200系列PLC和TD 400C文本顯示界面，通過(guò)軟啟動(dòng)器啟動(dòng)空壓機(jī)，采集處理溫度、壓力等數(shù)字量、模擬量信號(hào)，通過(guò)RJ45以太網(wǎng)通信接口上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控臺(tái)，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)各種保護(hù)、報(bào)警、監(jiān)控功能，同時(shí)利用文本顯示器實(shí)現(xiàn)監(jiān)控界面與PLC之間的數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)更好的人機(jī)交互，保證空壓機(jī)穩(wěn)定可靠，全面提升裝備的充氣保障能力[3]。

2 船用高壓空壓機(jī)控制功能

自主研發(fā)的某船用40 MPa高壓空壓機(jī)由空壓機(jī)主機(jī)、干燥裝置、冷卻水泵、污水收集裝置、浮筏隔振裝置和控制箱等組成，其作用是提供高壓氣源。該機(jī)組采用立式星型結(jié)構(gòu)、一體化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊、振動(dòng)低、噪聲小，性能穩(wěn)定可靠。

其控制箱集中了排氣溫度過(guò)高、滑油壓力過(guò)低、冷卻水壓力過(guò)低、滑油溫度過(guò)高、電機(jī)和控制系統(tǒng)出現(xiàn)短路或過(guò)載時(shí)自動(dòng)停機(jī)報(bào)警；控制箱配置文本顯示器，機(jī)組油壓、水溫、水壓、末級(jí)排氣壓力傳感器采集模擬信號(hào)，由模擬量模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，實(shí)時(shí)顯示并監(jiān)測(cè)；具有遠(yuǎn)程/就地、手動(dòng)/自動(dòng)控制，油污定時(shí)自動(dòng)泄放以及機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)時(shí)自動(dòng)泄荷等功能，同時(shí)又與冷卻水泵、干燥裝置、艙室風(fēng)機(jī)等連鎖控制，具有自動(dòng)狀況下開(kāi)機(jī)先啟動(dòng)水泵，停機(jī)時(shí)延時(shí)停水泵功能；空壓機(jī)組啟動(dòng)與本艙通風(fēng)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)器連鎖控制(滿足如下工況：正常情況下，先啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，再啟動(dòng)空壓機(jī)組，若風(fēng)機(jī)未啟動(dòng)，空壓機(jī)組不啟動(dòng)；運(yùn)行過(guò)程中，風(fēng)機(jī)意外停機(jī)，空壓機(jī)組報(bào)警、停機(jī)；特殊情況下，風(fēng)機(jī)未啟動(dòng)，需空壓機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，空壓機(jī)組可手動(dòng)強(qiáng)制啟動(dòng))；具有滑油預(yù)熱功能，油溫低于5 ℃，無(wú)法正常啟動(dòng)機(jī)組，需手動(dòng)開(kāi)啟滑油加熱器，油溫超過(guò)20 ℃，自動(dòng)停止加熱，應(yīng)急工況下，可手動(dòng)強(qiáng)制啟動(dòng)機(jī)組；油加熱與空壓機(jī)具有互鎖功能，空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)，機(jī)組無(wú)法進(jìn)行油溫加熱；油溫加熱時(shí)，機(jī)組無(wú)法正常開(kāi)機(jī)。

3 船用高壓空壓機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 主電路設(shè)計(jì)

主電路的控制對(duì)象是電動(dòng)機(jī)，針對(duì)電動(dòng)機(jī)有電流顯示、電流電壓過(guò)載、短路等保護(hù)，以及電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止控制。該高壓空壓機(jī)電機(jī)功率90 kW，額定工作電流200 A，因船上供電變壓器容量有限，需采用降壓?jiǎn)?dòng)方式，以減小啟動(dòng)沖擊電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊。常用的降壓?jiǎn)?dòng)有轉(zhuǎn)子串電阻、自耦變壓器、頻敏變阻器、星三角降壓、軟啟動(dòng)和變頻器啟動(dòng)等方法。而空壓機(jī)啟動(dòng)常用的方法是星三角降壓、變頻器和軟啟動(dòng)。

該船用40 MPa高壓空壓機(jī)額定工作電流200 A，啟動(dòng)電流要求≤1000 A，控制箱外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)≤550 mm×460 mm×750 mm(含底板、隔振器，壁掛安裝)，其啟動(dòng)電流和外形尺寸都十分受限。星三角降壓?jiǎn)?dòng)的啟動(dòng)電流是運(yùn)行電流的5～7倍，無(wú)法滿足啟動(dòng)電流的要求；變頻器雖然可以平滑的啟動(dòng)，但外形尺寸過(guò)大，價(jià)格昂貴，尤其是變頻器內(nèi)有交流逆變和整流裝置，無(wú)法滿足CE101、CE102電源線傳導(dǎo)發(fā)射和RE101、RE102磁場(chǎng)、電場(chǎng)輻射發(fā)射等電磁兼容要求；軟啟動(dòng)器剛好填補(bǔ)了星三角降壓和變頻器在功能實(shí)用性和價(jià)格之間的鴻溝，在市場(chǎng)上得到廣泛應(yīng)用[4]。因此，綜合以上各種啟動(dòng)方式優(yōu)缺點(diǎn)，選用施耐德ATS48C17Q軟啟動(dòng)器啟動(dòng)電機(jī)，通過(guò)設(shè)定軟啟動(dòng)器上的R3繼電器為電動(dòng)機(jī)過(guò)載熱報(bào)警，保護(hù)電動(dòng)機(jī)。其電路圖如圖1所示。

圖1 主電路圖

軟啟動(dòng)器只在啟動(dòng)過(guò)程中工作，啟動(dòng)結(jié)束后退出運(yùn)行，通過(guò)軟啟動(dòng)器上的R2繼電器輸出切換到旁路接觸器KM2后，軟啟動(dòng)的可控硅停止工作，但軟啟動(dòng)的互感器還在工作，保護(hù)功能依舊在。

3.2 控制電路設(shè)計(jì)

該高壓空壓機(jī)需要控制的參數(shù)較多，若采用傳統(tǒng)的繼電器控制，硬件電路很多，尺寸不允許，安裝接線工作量大，后期檢修不方便，且參數(shù)顯示功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)[5]，因此本控制系統(tǒng)采用S7-200 PLC、TD 400C文本顯示器、模擬量模塊和RJ45通訊模塊。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)空壓機(jī)實(shí)際工作過(guò)程編制了輸入、輸出點(diǎn)的地址，其主要地址編號(hào)見(jiàn)表1。

表1 輸入、輸出點(diǎn)分配表

控制系統(tǒng)通過(guò)采集水溫、水壓、油壓、末級(jí)排氣壓力傳感器模擬信號(hào)，由模擬量模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)TD 400C文本顯示器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示，并可以對(duì)報(bào)警值、排污時(shí)間進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，減少了柜內(nèi)計(jì)時(shí)器、中間繼電器、時(shí)間繼電器等元器件的數(shù)量，通過(guò)對(duì)文本顯示器的功能按鍵進(jìn)行定義，減少控制箱面板操作按鈕數(shù)量、PLC的輸入、輸出信號(hào)數(shù)量，提高了空間利用率，滿足了控制箱的外形尺寸要求。操作界面友好，操作管理方便，操作人員可以查看空壓機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，故障報(bào)警信息，避免了定時(shí)巡檢記錄的繁瑣工作，大大提高了工作效率和管理水平。

3.3 軟件程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)具有手動(dòng)、自動(dòng)兩種控制方式，控制空壓機(jī)等設(shè)備的起動(dòng)和停止。具有潤(rùn)滑油加熱，啟、停機(jī)自動(dòng)泄放、卸荷，運(yùn)行中定時(shí)排污；對(duì)排氣壓力、排氣溫度、油溫、油壓、冷卻水壓力以及電機(jī)負(fù)載進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警和保護(hù)停機(jī)。根據(jù)空壓機(jī)組的控制要求，各設(shè)備間的起?？刂祈樞?，繪制了啟動(dòng)運(yùn)行控制流程圖如圖3所示。

圖3 啟動(dòng)運(yùn)行控制流程

考慮空壓機(jī)曲軸箱和電機(jī)均采用水冷方式，程序設(shè)計(jì)時(shí)，開(kāi)機(jī)先通水，檢測(cè)水壓達(dá)到后空壓機(jī)方正常開(kāi)機(jī)；停機(jī)延時(shí)斷水，以保證機(jī)組充分冷卻，自動(dòng)狀況下水泵與空壓機(jī)一鍵聯(lián)鎖啟動(dòng)。各設(shè)備聯(lián)鎖啟動(dòng)PLC梯形圖如圖4所示。

圖4 各設(shè)備聯(lián)鎖啟動(dòng)PLC梯形圖

空壓機(jī)啟動(dòng)前先檢測(cè)水壓，水壓未達(dá)到報(bào)警；空壓機(jī)啟動(dòng)后建立油壓需要一定時(shí)間，因此設(shè)計(jì)T46定時(shí)器延時(shí)10 s監(jiān)測(cè)油壓是否建立；空壓機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中，水壓、油壓可能由于船只的傾斜搖擺等因素存在一定的擾動(dòng)，為避免頻繁的誤報(bào)警導(dǎo)致空壓機(jī)停機(jī)，對(duì)水壓報(bào)警信號(hào)設(shè)計(jì)T49定時(shí)器延時(shí)處理，對(duì)油壓報(bào)警信號(hào)設(shè)計(jì)T46定時(shí)器延時(shí)處理若水壓或油壓持續(xù)10 s低于報(bào)警值，自動(dòng)報(bào)警并停機(jī)，檢查油、水管路是否堵塞。油壓、水壓故障報(bào)警PLC梯形圖如圖5所示。

圖5 油壓、水壓故障報(bào)警PLC梯形圖

4 結(jié)語(yǔ)

該40 MPa空壓機(jī)采用立式星型結(jié)構(gòu)、一體化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊、振動(dòng)低、噪聲小，通過(guò)了1200 h可靠性試驗(yàn)、環(huán)境適應(yīng)性與電磁兼容性試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)、無(wú)任何故障。機(jī)組的研制成功，突破了傳統(tǒng)空壓機(jī)的臥式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，各項(xiàng)性能和功能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，促進(jìn)了空壓機(jī)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。配套的控制系統(tǒng)采用可編程控制器，體積小，功能完善，操作簡(jiǎn)便，投入運(yùn)行來(lái)性能一直穩(wěn)定可靠，故障率低，維修量小，自動(dòng)化程度高，大大減輕了運(yùn)行和維護(hù)人員的工作量，極具推廣價(jià)值。