唐一鶴

（常德市第一人民醫(yī)院，湖南常德 415000）

0 引言

空壓機是用來壓縮氣體的一種裝置。由于工業(yè)生產技術的發(fā)展，空氣壓縮機在多個領域和行業(yè)中得到了廣泛的應用，并成為一些行業(yè)不可或缺的關鍵設備[1]。空氣壓縮機一旦運行不穩(wěn)定或出現(xiàn)故障，將直接影響到企業(yè)的生產過程，造成一定的經濟損失。在企業(yè)生產自動化水平不斷提高的今天，需要一個穩(wěn)定、可靠、有效、合理的控制系統(tǒng)，對空壓機系統(tǒng)進行實時監(jiān)控、控制、故障診斷、維護，有效保障空壓機安全運行，為企業(yè)生產提供優(yōu)質、穩(wěn)定的動力，在一定程度上節(jié)省能源，降低企業(yè)生產成本[2]。采用CAN總線對空壓機組電氣自動控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計，以提高空壓機組電氣自動控制的效果。

1 空壓機組電氣自動控制硬件系統(tǒng)設計

1.1 PLC控制器

系統(tǒng)以歐姆龍公司內置60個I/O接線端子的CPM2A-60CDR PLC為核心，具有運算精度高，響應速度快，輸入輸出點豐富，支持模擬量輸入、輸出，易于擴展I/O點，并可利用串行接口和上位機進行通信[3]。空氣壓縮機起動、停止的邏輯控制，以及給水泵、揚泵、冷水塔和儲氣罐的排污等功能。

1.2 變頻器

選用90/110 kW配接電機，178 A、6440-2UD38-8FA0、MM440、380 VAC、三相PID調節(jié)器、西門子變頻器和制動裝置MM440-9000/3a。西門子MM440變頻器主要用于異步旋轉電機，MM440變頻器主要分為V/f控制和矢量控制兩大類。一個單獨的電壓設定值的V/f工作方式可在MM440變頻器中實現(xiàn)。采用此工作方式，變頻器輸出頻率和電壓不再捆綁，可分別設置，使變頻器能在輸出頻率不變的情況下，接收PLC發(fā)出的電壓控制信號，并自動調整其電壓輸出值。

1.3 CAN總線控制芯片

選用SJA1000作為CAN總線的控制芯片，SJA1000是一種基于I/O系統(tǒng)的單片機。在電路中，SJA1000是一個總線接口芯片。CAN控制模塊主要包括界面管理邏輯、發(fā)送與接收緩沖區(qū)、接收濾波、位時序邏輯和故障管理邏輯。

2 空壓機組電氣自動控制系統(tǒng)軟件功能設計

2.1 自動采集空壓機組運行數(shù)據(jù)

圖1為空氣壓縮機系統(tǒng)組成結構。根據(jù)圖1可以得出空壓機的基本工作模式與流程，利用PLC工控機實時采集空壓機的工作參數(shù)，并以此作為電氣自動控制的初始數(shù)據(jù)。

圖1 空氣壓縮機系統(tǒng)組成結構

2.2 CAN報文的發(fā)送和接收

在CAN總線中，MAC子層采用了CSMA/CA非破壞性總線仲裁協(xié)議機制。這個仲裁協(xié)議有兩層含義：第一，具有最小標識符值的信息幀具有最高優(yōu)先級，顯性位將覆蓋隱性位，其結果就是在總線上顯示顯性位，其他位可以繼續(xù)發(fā)送，而不會損壞；第二，CAN協(xié)議只能解決對已發(fā)生沖突的優(yōu)先級選擇，只有其中的一個才能完整地發(fā)送，而其他已退出發(fā)送的信息幀則不能保證下次成功發(fā)送。

2.3 計算空壓機排氣量與氣罐容積

由于空壓機機組裝有冷卻器，額定壓力為0.9 MPa，充氣后溫度上升約2～5℃，因此按等溫熱充氣計算，空壓機的初始壓力取為大氣壓0.1 MPa。在已知儲氣罐容積的情況下，可按式（1）計算空壓機排氣量：

式中，t為充氣時間，Vg為儲氣罐容量，Px1和Tx1分別為吸氣的壓力和溫度，而Pg1、Pg2和Tg1、Tg2分別為充氣開始時和終止時儲氣罐內空氣壓力和溫度。根據(jù)空壓機排氣量與氣罐容積的計算結果，確定空壓機組電氣的自動控制量。

2.4 實現(xiàn)空壓機組電氣自動控制

在CAN總線環(huán)境下，結合空壓機組的電氣運行原理和控制量計算結果，分別從電氣速度、啟動、停止等多個方面，實現(xiàn)空壓機組電氣自動控制。

空氣壓縮機的同步轉速由空氣壓縮機的磁極數(shù)和供電頻率決定。當用Ns表示轉速時，則有Ns=。

其中，參數(shù)η為空壓機組的磁極個數(shù)，f為電源頻率。若將同步轉速Ns為基準，空壓機的轉差率S=。

其中，N和Ns分別為空壓機組轉速和同步轉速，S為轉差率。由此可以看出，在參數(shù)f、s中任意一個參數(shù)都可以改變電機的轉速，就是異步電機的調速控制目的。所以，如果有一臺能隨意改變頻率的電源，就可以對電機進行速度控制。

空氣壓縮機以自動方式完全由啟動/停機按鈕控制，空壓機在停機狀態(tài)下，根據(jù)備用選擇邏輯順序及相應的聯(lián)動定值進行自動停機控制。CAN總線也可用于控制空氣壓縮機的程序自動移除、備用位置自動選擇、人工選擇和備用移除。

3 系統(tǒng)測試

為了測試設計的基于CAN總線的空壓機組電氣自動控制系統(tǒng)的控制效果，設計系統(tǒng)測試實驗，并通過與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的對比，體現(xiàn)出設計控制系統(tǒng)的應用優(yōu)勢。在該測試環(huán)境下將設計的控制系統(tǒng)對應的程序代碼導入到實驗環(huán)境中，得出主控制運行界面。

為了形成實驗對比，利用本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)和文獻[3]中系統(tǒng)優(yōu)化改造結果作為實驗的兩個對比系統(tǒng)，以相同的方式導入到系統(tǒng)測試環(huán)境中。從空壓機組轉速方面得出反映控制誤差的測試結果，如表1所示。

表1 空壓機組電氣自動控制系統(tǒng)控制誤差測試結果 r/min

從表1可以看出，相比于兩個對比控制系統(tǒng)，在設計的控制系統(tǒng)下，空壓機組的實際轉速值更加接近設置的轉速值，即控制誤差更小，控制效果更優(yōu)。

4 結束語

充分利用CAN總線的特點，降低了傳輸開銷。將CAN總線應用到空壓機組電氣自動控制系統(tǒng)中，間接地提升系統(tǒng)的抗干擾能力，并從硬件和軟件兩個方面保證控制系統(tǒng)運行的可靠性，從而保證空壓機組的運行效率。