基于PLC的空压机自动控制系统的设计

时间：2024-05-20

李国栋

聊城市技师学院，山东聊城 252000

1 应用价值及意义

4L-20/8 型活塞式空气压缩机是一种利用电动机将气体在压缩腔内进行压缩并使压缩的气体具有一定压力的设备。由于结构原理的原因，空压机自身存在着明显的技术弱点。为此，本文引入PLC 及变频器进行技术改进，全面提升系统性能。

2 硬件选型

2.1 PLC 选型

1）基本单元

本系统所使用的可编程序控制器采用日本三菱公司生产的FX2N -128MR-A1 型PLC。

2）扩展单元

N0～N5 为FX2N-8AD 型模拟量输入模块，每个模块有8 路模拟量输入通道，编号为CH1～CH8。共计6×8=48路通道，供47 路模拟信号输入使用。缓冲寄存器的编号为0#BFM～31#BFM，各路通道所对应的缓冲寄存器依次为5#BFM～12#BFM，用以存放采样数据，通过PLC 的FROM 指令读取缓冲寄存器，并将所读取的数据写入PLC的数据存储单元，至此，便完成了A/D 转换。其中，每个特殊功能模块占用8个I/O 点，共占用6×8=48 个X 输入点。

N6 为FX2N-8DA 型模拟量输出模块，有8 路模拟量输出通道，编号为CH1～CH8。共计1×8=8 路通道，供6 路模拟信号输出使用。各路通道所对应的缓冲寄存器依次为5#BFM～12#BFM，用以存放通过PLC 的TO 指令写入缓冲寄存器的输出信号，至此，便完成了信号的D/A 转换。其中，每个特殊功能模块占用8 个I/O 点，共占用1×8=8 个Y 输出点。

N7为PLC的PID过程控制模块，每个模块可控制多个闭环，本系统的PID 控制对象有6 个，故本模块只需通过PLC 程序中的6 个PID 指令实施控制即可，他们是：VVVF 变频器的4-5端之间4mA～20mA 输出控制，5 个控制主机进水回路的电调阀。

2.2 变频器选型

本系统所使用的变频器采用日本三菱公司生产的FRF740-S450K-CHT，450kW，3 相380V 三菱变频器；

2.3 传感器的选型

本系统运行中一共采集了11 种信号，5 台空压机加1 个风包共计47 路模拟输入。

1）压力传感器的选型

为便于安装并兼顾精度，本系统采用了性能优良的压力传感器MLH016BSB01B。

2）温度传感器的选型

现场的温度信号范围为0°～160°，所以温度传感器采用系统原有的PT100 标准电阻温度传感器。PT100 是铂电阻温度传感器，它适用于测量一60℃到+400℃之间的温度。

2.4 电调阀的选型

为有效地控制空压机主机进水压力，本系统对器采用了PID 控制。设备所选电调阀采用北京伟江源科技发展有限公司生产的丹佛斯设计电动调节阀。

3 软件设计

3.1 系统结构

系统共有五台同型号空压机，通过标准压力传感器和热电阻将空压机的压力和温度信号以标准4mA～20mA 信号和电阻信号传送给PLC 的模拟输入模块，实现模拟信号的采集。现场的开关量信号通过电缆直接传送给PLC 的数字输入模块。

PLC 对信号进行采集、变换和存储后，通过SC-09 编程电缆与上位机通讯，将变换后的信号送到PC 机进行实时显示。同时，PC 机将设置的系统运行参数传送给PLC。PLC 对采集的风包压力与设定值进行比较，通过智能控制运算后将控制信号送给变频器，控制变频器的启动、运行和停止。

3.2 PLC 程序设计分析

本系统共计12路开关输入，42路开关输出，47路模拟输入，6 路模拟输出。

1）对空压机的控制

（1）首先读入风包压力信号，并与设定值进行比较，判断是在哪个范围。风压若处在正常范围，则第一台工频，第二台变频；若低于正常范围，则第一台、第二台工频，第三台变频。若高于正常范围，则只启动第一台变频。8 小时以后，读入风包压力信号，并与设定值进行比较，判断是在哪个范围。风压若处在正常范围，则第四台工频，第五台变频；若低于正常范围，则第三台、第四台工频，第五台变频。若高于正常范围，则只启动第四台变频。再过8 小时，在从第一、二、三台开始，以次循环往复，保证了各台机器的充分休息与散热。

（2）在程序确定工作机器台数及确保轮换的同时，程序还要根据读入的风压信号来进行PID 智能控制，确定变频器的给定频率。

3）对电调阀的控制

变送器读入主机进水压力后，PLC 将其与设定值比较，若在安全范围内，则进行PID 调节，调节到目标值。反之，则进行报警停机。

4）对前6 路模拟信号的控制

第一、二项作为第0s 的启动条件，与设定值进行比较后，若在正常范围内，则允许启动。反之，报警停机。第三项与设定值进行比较后，若在正常范围，则5s 后投入断电停机回路。第四、五、六项设定值进行比较后，若在正常范围，则180s后投入断电停机回路。

5）VVVF 变频器的PID 控制：VVVF 变频器的4-5 端之间4mA～20mA 电流输入采用的是PLC 的PID 模块控制。当压力传感器检测到风包压力确定空压机工作台数的同时，进行PID 运算，PLC 的PID 模块输出4mA～20mA 电流至变频器的4-5频率调节端，通过调节变频器的输出频率来改变空压机驱动电机的转速，以达到调节风包压力至标准值（0.8mp）的目的。

6）主机进水压力电调阀的PID 控制

空压机的主机进水压力调节采用PLC 的PID 模块控制。当压力传感器检测到主机进水压力在0.4MPa～1.2MPa 之间时，通过PID 运算，PLC 的PID 模块输出4mA～20mA 电流至电调阀，通过调节阀门的开度来改变进水量，以达到调节进水压力的目的。