郭改琴
(楊凌職業(yè)技術學院,陜西 楊凌 712100)
空氣壓縮機是一種用于壓縮氣體的設備,簡稱空壓機,主要用在電力、化纖、輕工、冶金等行業(yè)。在電力行業(yè)空壓機主要用在儀表、除灰和水處理系統(tǒng)中,在水電站主要用在動力設備上。
空壓機常采用常規(guī)繼電器的控制方式,結構簡單、造價低廉,在電力行業(yè)中得到了廣泛的應用。但這種控制方式的缺點也很多,首先,控制方式單一,啟動和停止只能在現場進行;其次,空壓機在運行時的轉速、電壓、電流、功率等運行實時參數和狀態(tài),都必須到現場測試后才能獲得;最后,在操作時,因為一次側電壓高、電流大,直接啟動和停止、在二次側抄錄數據時都存在一定的安全隱患[1]。
空壓機在啟動時,先要打開冷卻水系統(tǒng),讓電機在空載狀態(tài)下運行一段時間后自動切換到負載運行狀態(tài),在切換的同時要關閉無負荷電磁啟動閥,等到壓力達到設定要求時,空壓機自動停止的同時打開無負荷電磁啟動閥,關閉冷卻水電磁閥。因用氣壓力要求,空壓機需要頻繁的啟動和停止,這樣不但造成設備損耗過大、壽命減少、而且降低了空壓機的工作效率。對于大型的空壓機控制系統(tǒng),還會配置備用空壓機,防止工作空壓機損壞或系統(tǒng)壓力急劇下降時,多臺空壓機能同時啟動,當空壓機工作異常時還要有報警功能。如此復雜的控制過程如果采用常規(guī)繼電器控制,需要的設備很多,控制回路復雜、運行還不可靠[2]。PLC 控制技術的出現,能很好的解決以上問題,接線簡單,可靠性高;配套齊全、功能完善、實用性強;系統(tǒng)的設計簡單,維護方便,容易改造;體積小、重量輕;能耗低易學易用,深受工程技術人員的歡迎[3]。
觸摸屏即人機界面(簡稱HMI)經過了近半個世紀的發(fā)展,因其有操作直觀、富有趣味性,不易誤碰,耐用度高,工作可靠等優(yōu)點,在工業(yè)和商業(yè)中已普遍使用。用人機界面HMI 通過PLC 控制現場設備,可以達到良好的效果。
本項目設計一套中型容量水電廠的壓縮空氣系統(tǒng),因為用氣量較大,該系統(tǒng)安裝了兩臺螺桿空壓機,一臺作為正常工作使用,另外一臺作為緊急緊急情況使用[8],由于空壓機電機的功率比較大,啟動電流會造成供電線路瞬時的電壓下降影響其他設備正常運行,因此該空壓機啟動時先是采用星型接法,電機每個繞組上所加的電壓是220V,經過10s的延時后轉換成三角形接法,此時每個繞組上所加電壓是380V,電機啟動時的電流是額定電流的1/3,啟動力矩也只有全壓啟動力矩的1/3[5]。
在運行過程中該系統(tǒng)應該具備以下功能:在空壓機的啟動和停止過程中,自動關閉或者打開無負荷電磁閥,對于水冷式空壓機,還需自動打開和關閉冷卻水泵;當儲氣罐的壓力下降到低氣壓時,工作空壓機自動啟動;當用氣量增大或者管道漏氣時,工作空壓機啟動后,儲氣罐的壓力不升高反而降低,當氣壓下降到過低氣壓時,備用空壓機自動啟動,并發(fā)出報警信號;當儲氣罐的壓力上升到額定氣壓值時,兩臺空壓機自動同時停止運行;當壓力過高或空壓機出口溫度過高時發(fā)出報警信號[6]。
用昆侖通態(tài)的人機界面(HMI)發(fā)出主控信號,可編程控制器三菱FX3U系列PLC作為控制器控制主回路設備[7]。人機界面包括啟動、停止和急停按鈕,啟動、停止和急停信號燈,無負荷電磁閥、冷卻水電磁閥啟動和停止信號燈,備用空壓機啟動報警信號燈,系統(tǒng)氣壓過高報警信號燈。系統(tǒng)總體設計方案如圖1所示。
根據本項目的運行要求,設計的系統(tǒng)主回路如圖2中的(a)所示。當空氣開關QF 閉合后,若交流接觸器的主觸頭KM和KMY同時閉合,則電動機在低速工況下運行;若KM 和KM△同時閉合,則電動機在高速工況下運行[8]。在空氣開關下方裝設熔斷器FU,在主觸點KM 的下方裝設熱繼電器FR。主電路的設備清單如表1所示。
表1 主電路設備清單
控制回路設置了按鈕控制和HMI 控制兩種方式。共包含時間繼電器切換Y-△降壓啟動控制回路、PLC 控制回路設計、PLC 程序編寫、HMI 組態(tài)設計、HMI 與PLC 連接和調試運行共6 各方面的設計[9]。
時間繼電器切換Y-△降壓啟動控制回路如圖2中的(b)所示。工作原理如下:合上空氣開關QF后,按下啟動按鈕SB1,時間繼電器KT 和交流接觸器KMY(星型運行線圈)的線圈同時吸合帶電,KMY常閉觸點斷開閉鎖KM△回路;KMY常開觸點閉合使KM 線圈得電吸合,KM 常開觸點閉合自鎖;時間繼電器計時的同時,KM 和KMY 的主觸點閉合,電動機實現星型連接降壓啟動,HL1 和HL2 同時點亮;當時間繼電器計時達到設定的時長,KT的延時斷開觸點打開,KMY 的線圈失電,KMY 常開觸點斷開,HL2 熄滅;KMY 常閉觸點閉合,使KM△線圈得電,HL3 點亮,其主觸點閉合實現三角形方式運行;KM△的常閉觸點斷開,防止了誤操作按下啟動按鈕造成短路事故。按下停止按鈕SB2,接觸器KM和KM△的線圈失電,觸點復位,電動機停止運轉,HL3熄滅。
根據空壓機的運行要求,選用三菱FX3u-32M(R)控制模塊,系統(tǒng)設置手動和自動控制兩種模式,自動運行時通過壓力傳感控制系統(tǒng)啟與停。
在兩個輸入端L 和N 之間接220V 交流電源,采用漏型接法要把24V 和S/S 短接。啟動SB1 接X0,停止SB2 接X1,急停SB3 接X2,熱繼電器常閉觸點接X4,四個輸入信號的另一端接公共端OV。
PLC 的外部輸入端子如果接按鈕的常開觸點,當PLC 上電后,對應端子內部的線圈和24V 電源不能形成回路,程序里的常開觸點就是斷開狀態(tài),程序里的常閉觸點就是閉合狀態(tài);如果把連接常開觸點的按鈕按下,則對應端子內部的線圈和24V 電源就形成了回路,程序里的常開觸點變?yōu)殚]合狀態(tài),常閉觸點變?yōu)閿嚅_狀態(tài)。PLC 的外部輸入端子如果接按鈕的常閉觸點,當PLC 上電后,對應端子內部的線圈和24V 電源就形成回路,程序里的常開觸點變?yōu)殚]合狀態(tài),程序里的常閉觸點變?yōu)閿嚅_狀態(tài);如果把連接常閉觸點的按鈕按下,則對應端子內部的線圈和24V 電源不能形成回路,程序里的常開觸點變?yōu)閿嚅_狀態(tài),程序里的常閉觸點變?yōu)殚]合狀態(tài)。所以PLC 的外部接線時,啟動和停止按鈕都接常開觸點,程序里的啟動和停止按鈕分別接常開和常閉觸點;急停按鈕外部接線時接常閉觸點,程序里的對應觸點就接常開觸點。
PLC 的輸出端接220V 交流電源,共有14 個輸出端子,其中包含1個時間繼電器,3個交流接觸器和11個指示燈。Y1輸出端子連接的星型啟動交流接觸器(KMY)下方串聯KM△常閉觸點,Y2輸出端子連接的三角形運轉交流接觸器(KM△)下方串聯KMY常閉觸點,實現星型和三角形運轉時的互鎖功能,星型方式運轉10S 后自動切換為三角形運轉。停止狀態(tài)接紅色指示燈,運行狀態(tài)接綠色指示燈,急停接黃色指示燈,熱繼電器動作、備用空壓機啟動、系統(tǒng)氣壓過高都接黃色指示燈。PLC 的外部接線圖如圖2(c)所示。
用三菱GX Works2 軟件編寫的部分程序截圖如圖3所示。用輸出Y1 來驅動1#空壓機運行指示燈;用輸出Y2來驅動2#空壓機運行指示燈;用常開觸點X2 驅動急停信號燈Y10;用電機過載X4 驅動電機過載報警信號Y15;用X3常閉觸點復位報警信號;用氣壓高時的X5 驅動系統(tǒng)氣壓高報警信號。程序的I/O分配表如表2所示。
表2 PLC控制空壓機的I/O分配表
當系統(tǒng)氣壓低或者手動啟動空壓機,空壓機電機在星型狀態(tài)下運行,冷卻水電磁閥要打開,10 秒后轉為三角形運行方式,無負荷電磁啟動閥關閉。當系統(tǒng)氣壓達到設定值時空壓機停止運行,冷卻水電磁閥關閉,無負荷電氣閥打開。當負載過高時,熱繼電器動作,發(fā)出電機過載報警信號,人工復位信號后繼續(xù)運行。
HMI 是Human Machine Interface 的縮寫,簡稱人機界面。它是用戶和系統(tǒng)之間進行信息交換的橋梁,實現信息內部形式與人類可以接受形式之間的轉換。本方案選用型號為昆侖通態(tài)(MCGS)的TPC7062Ti觸摸屏,設計的組態(tài)畫面如圖4所示。
該人機界面主要包括啟動按鈕、停止按鈕、急停按鈕、報警復位按鈕,空壓機低速運行指示、高速運行指示、1#空壓機啟動信號燈HL1、1#空壓機停止信號燈HL2、2#空壓機啟動信號燈HL3、2#空壓機停止信號燈HL4、急停信號燈HL5、無負荷電磁閥啟動信號燈HL6、無負荷電磁閥關閉信號燈HL7、冷卻水電磁閥啟動信號燈HL8、冷卻水電磁閥關閉信號燈HL9、熱繼電器動作信號燈HL10、系統(tǒng)氣壓過高報警信號燈HL11。按下啟動按鈕后空壓機先是星形連接低速運轉,達到設定時間后自動切換為三角形連接運轉。當氣壓達到壓力上限時空壓機自動停止,當壓力超過上限壓力時,在觸摸屏上發(fā)出壓力過高報警信號。直接按下停止按鈕,空壓機停止運行;空壓機運行過程中按下急停按鈕,兩臺空壓機停止運行,當按下報警復位按鈕后,空壓機繼續(xù)運行;當系統(tǒng)壓力超過壓力上限時,發(fā)出壓力過高報警信號,按下復位按鈕后報警解除。觸摸屏界面上的兩個電機圖標里的指示燈也會隨著電機的運行狀態(tài)不同而發(fā)生變化。
要使用觸摸屏通過PLC控制電動機,首先必須把電腦里設計的組態(tài)界面上傳到觸摸屏里,通常采取網線的方式傳輸,參數設置可分為三個步驟。首先在“我的電腦”里查找電腦的IP 地址(例如192.168.1.10)。其次設置觸摸屏的IP 地址,給觸摸屏通電后,用手指快速單擊觸摸屏,在彈出的界面里點擊“系統(tǒng)維護”,再點擊“設置系統(tǒng)參數”,在對應的地址欄輸入觸摸屏的IP 地址(例如192.168.1.9)。最后把電腦里設計好的界面?zhèn)鞯接|摸屏里,先下載工程并進入運行環(huán)境,選連接方式(ICP/IP 網絡),目標機名輸入地址:192.168.1.9,點擊通訊測試,工程下載,然后啟動運行即可。
觸摸屏里的啟動、停止、急停、報警復位四個按鈕在PLC 程序里分別用M0、M1、M2、M3 表示,并聯在程序相應按鈕兩端。
1.用RS485通訊線把編寫好的PLC程序下載到三菱FX3U-32M(R)模塊里,用一根普通網線把組態(tài)界面下載到觸摸屏里,用一根RS485通訊線把觸摸屏和PLC模塊連接在一起。
2.先給PLC 程序里下載一個空程序,逐個測試PLC 外部接線是否正確。然后再把編寫好的程序下載到PLC里,分別按下啟動按鈕、停止按鈕、急停按鈕和復位按鈕,查看空壓機是否按照要求動作,按下熱繼電器上可按可拉的手動測試按鈕,查看是否有報警信號,按下復位按鈕,查看報警是否解除。
3.按下觸摸屏上四個輸入按鈕,查看PLC 的外部輸出和空壓機是否按照設計要求動作。
空壓機工作過程比較復雜。通過對系統(tǒng)總體方案設計、PLC模塊外部接線圖的設計、PLC程序的編寫、組態(tài)界面的設計、HMI和PLC連接時地址的設定和設備的運行調試,實現了對空壓機系統(tǒng)的升級改造。經過反復的調試運行,HMI操作簡單、發(fā)出的信號穩(wěn)定、空壓機運行正常、安全可靠,達到了預期的設計要求,具有較強的使用價值。