蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 張?zhí)K新深圳龍崗中等專業(yè)學(xué)校 劉雙喜

空壓機冷卻水循環(huán)的PLC電氣控制系統(tǒng)

蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 張?zhí)K新
深圳龍崗中等專業(yè)學(xué)校 劉雙喜

【摘要】空氣壓縮機是工業(yè)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)產(chǎn)品，被稱為"通用機械"，廣泛應(yīng)用于眾多工業(yè)領(lǐng)域。本文主要針對空壓機循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進行PLC電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計，首先對空壓機循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工藝過程進行闡述，在此基礎(chǔ)上，對控制系統(tǒng)進行了硬件設(shè)計，主控制器選用西門子公司的S7-200系列CPU224，檢測部分選用PT100溫度傳感器、水位傳感器和壓力傳感器，并通過EM235模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，主電路由MM3430變頻器和接觸器構(gòu)成。軟件上通過STEP 7-Micro/WIN軟件對PLC進行編程，包括模擬量參數(shù)的采集與數(shù)值轉(zhuǎn)換、溫差速度控制和故障報警程序，最終，完成了空壓機冷卻水循環(huán)的PLC電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】空氣壓縮機；冷卻水循環(huán)；S7-200

0.引言

現(xiàn)代空氣壓縮機的雛形是公元1640年德國研制的真空泵，經(jīng)過數(shù)百年的發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的壓縮機，包括往復(fù)式空氣壓縮機、活塞式空壓機、對置式空氣壓縮機和往復(fù)式氣缸無油潤滑空氣壓縮機等。進入到21世紀，螺桿式空壓機新技術(shù)不斷出現(xiàn)，加工精度不斷提高，而且輔助設(shè)備也日趨完善。這些因素讓螺桿空壓機的性能得到越來越多人的肯定，因此其使用范圍也不斷擴展，目前已經(jīng)成為最受歡迎的一類空壓機，在自動化控制系統(tǒng)中，空氣壓縮機主要是提供氣源裝置，通過將原電動機的機械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力，空壓機用途非常廣泛，尤其是螺桿式的空氣壓縮機被廣泛應(yīng)用于機械，治金，電子電力，醫(yī)藥，包裝，化工，食品，采礦，紡織，交通等眾多工業(yè)領(lǐng)域，壓縮機因其用途廣泛而被稱為”通用機械”，空氣壓縮機主要作用為產(chǎn)生動力、制冷和氣體分離、合成及聚合、油的加氫精制、氣體輸送。

過去很長一段時間內(nèi)，壓縮機行業(yè)市場大部分由外企企業(yè)掌控，近年來國家重視此行業(yè)，使得壓縮機行業(yè)市場飛速發(fā)展。本文主要針對空壓機循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進行PLC電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計，主控制器選用S7-200系列CPU224，主電路選用MM3430變頻器和繼電器控制回路用于壓縮機速度控制，檢測系統(tǒng)包含進出口溫度、管道壓力、水池液位的測量，模擬量輸入模塊選用EM235，軟件上通過 STEP 7-Micro/ WIN軟件對PLC進行編程，最終完成了控制系統(tǒng)的設(shè)計。

1.結(jié)構(gòu)及工作原理

空壓機作為一種重要的能源產(chǎn)生形式，廣泛應(yīng)用于日常生活和工業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)。由于空壓機在運行時其缸體中活塞的運動會產(chǎn)生大量的熱量，使得空壓機的溫度升高，工作效率降低，嚴重時會導(dǎo)致空壓機損壞，因此，必須及時對工作中的空壓機進行冷卻降溫?？諌簷C采用循環(huán)冷卻水可降低排氣溫度，冷卻轉(zhuǎn)子的潤滑油，從而達到冷卻空壓機的目的。

空壓機的循環(huán)冷卻系統(tǒng)是其核心部件，包括電動機水泵、空壓機冷卻器、冷卻塔，水泵為冷卻水的循環(huán)提供動力，冷卻水經(jīng)過管道進入冷卻器帶走氣、油的熱量。冷卻器是空壓機的冷卻裝置，其內(nèi)裝有盤管，可擴大空壓機的冷卻面積。冷卻塔用于將水在冷卻過程中帶入熱量散到空氣中，降低循環(huán)水的溫度。冷卻塔在進行水的冷卻時，會有一些水汽護法，冷卻塔中的水位會慢慢降低，因此對水池要根據(jù)水位情況進行必要的補水。

其控制要求為，本控制系統(tǒng)采用兩臺水泵進行輪值控制運行，每間隔一定進行自動輪值切換來防止由于冷卻系統(tǒng)長期不間斷運行產(chǎn)生的水泵損壞。通過變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，同時根據(jù)空壓機的出水口和進水口的溫度差值調(diào)節(jié)水泵的供水量，系統(tǒng)具有水池液位檢測、管道壓力檢測和水池低液位的補水功能，同時還具有報警、過電流和過載等保護功能。

2.硬件設(shè)計

空壓機冷卻循環(huán)水PLC控制系統(tǒng)主要由PLC、變頻器和外圍檢測部件等組成 冷卻循環(huán)水PLC控制系統(tǒng)主電路用于對水泵進行供電和控制，冷卻水泵由西門子變頻器MM3430驅(qū)動，在電路中，熱繼電器用于水泵的過載保護，斷路器是變頻器的電源開關(guān)且具有電流保護功能，2個接觸器用于變頻器的變頻和工頻轉(zhuǎn)換，中間繼電器用于變頻器的啟?？刂坪妥冾l器的速度控制，形成三段速或者八段速控制，另外還可用于故障復(fù)位、運行和故障顯示等功能。

PLC控制電路主要用于水泵變頻/工頻方式的轉(zhuǎn)換、水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)、檢測系統(tǒng)的工作狀態(tài)和故障報警燈。在設(shè)計PLC控制電路時，首先需要進行PLC硬件選型，本文采用西門子公司的S7-200系列CPU224，其開關(guān)量輸入輸出點可以滿足控制要求，開關(guān)量輸入信號共有12個，包含變頻器變頻/工頻轉(zhuǎn)換開關(guān)、變頻器運行和故障信號、電動機過載信號和過電流信號、冷卻循環(huán)水流信號、復(fù)位按鈕以及變頻器啟動和停止按鈕；開關(guān)量輸出信號共有9個，主要包括變頻器的工頻/變頻繼電器、變頻器的啟停繼電器、變頻器的速度繼電器、復(fù)位繼電器、冷卻池的補水繼電器和系統(tǒng)故障報警信號燈等。系統(tǒng)模擬量信號采集模塊選用EM235擴展模塊，用于冷卻池水位和冷卻器進出口溫度的檢測。其控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理框圖

3.軟件設(shè)計

根據(jù)空壓機循環(huán)冷卻水的控制工藝要求，本文設(shè)計的PLC控制程序主要包括3個部分：模擬量參數(shù)的采集與數(shù)值轉(zhuǎn)換、溫差速度控制和故障報警。模擬量參數(shù)的采集與數(shù)值轉(zhuǎn)換程序?qū)⑽鏖T子PLC模擬量通道中的整數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為雙整數(shù)，再轉(zhuǎn)換為浮點的實數(shù)，采集的數(shù)據(jù)包括冷卻池水位和出水口溫度。溫差速度控制程序根據(jù)冷卻水進出口的溫度差值，分為三段速度控制冷卻水的流量，其溫度界點為10℃和20℃。故障報警分為輕事故報警和重事故兩種，分別對應(yīng)報警和停泵，當(dāng)發(fā)生短路和過載事故時，系統(tǒng)報警信號燈在發(fā)生閃爍的同時，變頻器停止運行，當(dāng)發(fā)生斷流和冷卻池水位低時，系統(tǒng)報警信號燈閃爍，提醒工作人員注意，但是不停泵。

本文設(shè)計的PLC控制流程圖如圖2所示，從圖中可以看出，程序開始進行工頻和變頻的選擇模式，選擇變頻模式后，啟動變頻器，檢測溫差的值，并選擇相應(yīng)的變頻泵轉(zhuǎn)速，如果溫差的值小于10℃，變頻泵低速運行，當(dāng)溫差的值大于10℃且小于20℃時，變頻器運行于中速模式，同時增大冷卻水的流量，當(dāng)溫差的值大于20℃時，變頻器運行于高速模式，此時的冷卻水流量達到最大值；如果選擇工頻模式，則按照50HZ的恒定速度運行。當(dāng)出現(xiàn)故障時，停機報警，最后程序結(jié)束。

圖2 PLC控制流程圖

4.結(jié)論

本文首先簡要概述了空氣壓縮機的歷史發(fā)展情況，強調(diào)了其在工業(yè)和生活中的重要性，然后詳細介紹了空氣壓縮機冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其控制要求，在此基礎(chǔ)上，本文對空壓機冷卻水循環(huán)的PLC電氣控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計，在硬件上，選用西門子公司的S7-200系列CPU224為核心控制器，配以溫度、水位和壓力等傳感器，模數(shù)信號轉(zhuǎn)換選用EM235轉(zhuǎn)換器，主電路選用接觸器、斷路器和熱繼電器等，選用MM3430變頻器對電機進行調(diào)速。在軟件上，運用STEP 7-Micro/WIN軟件對PLC進行梯形圖的編程，程序包含模擬量參數(shù)的采集與數(shù)值轉(zhuǎn)換、溫差速度控制和故障報警等子程序，最后對系統(tǒng)進行了測試，完成了基于PLC的空壓機冷卻水循環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計。

參考文獻

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