空压机自动控制系统设计

张子扬：平朔油库空压机组自动控制系统设计V前言空气压缩机目前在各个领域都有所应用，本文主要研究问题即为使用可编程控制器PLC控制空压机组向储气罐内提供压缩空气，并到达预期要求。目前，可编程控制器PLC作为自动控制系统中的关键设备在生活中被广泛应用，尤其是PLC与变频器以及触摸屏技术的综合应用更是现代较为流行的控制和监控系统。本设计以三菱FX2N系列PLC为控制器结合变频器的变频技术对空压机组进行启动和停止操控，使用PLC与触摸屏技术实现对整个系统的实时监控与控制。在文章中，先后对空压机自动控制系统的研究意义、发展现状以及空压机的控制要求做了相关阐述。在设计环节中分为硬件设计和软件设计，硬件设计包括系统主电路图设计、相关电机保护措施设计以及硬件选型，软件设计包括针对系统设计的流程图、PLC的外围接线电路图、PLC的I/O口输入输出资源分配表以及控制系统的梯形图程序。另外，本系统还应用GTDesigner3软件设计了人机界面与PLC程序配合实现对系统的监控。最后，可在仿真软件GXWorks2以及GTSimulator3的联合模拟仿真下模拟实际工况，验证系统的可行性。1绪论1.1课题研究背景及意义近年来，中国的工业运营和制造企业面临着越来越多的挑战。为了满足当今的全球市场的竞争需求，企业需要合理的提高自身生产力，满足时代需要并且应学会降低运营成本。自动化系统和产品为节省能源、促进产品统一性、放大产品的优点、减少人力劳动消耗，升级并开辟了巨大的潜在空间，提高自动化产品的质量，能在大规模工业生产中被广泛使用[1]。因此，自动化已越来越多地应用于汽车，钢铁、煤矿和油库等领域。压缩空气是继电力后的第二大动力源，主要用于除尘器与仪表驱动等。空气压缩机是一种能将原动机的机械能转换为气压势能的装置，它通常用作驱动气动设备的动力源，例如气动阀和气动仪表。它是相对安全的，因为没有火花现象。它广泛用于工业生产，特别是在油库等特殊场所。目前，大多数行业使用的空气压缩机都在从人工手动控制转向了自动化。因为劳动力不像一台机器，不可能根据每天24小时在现场使用的空气量来控制相应的空气压缩机，而许多大型工业企业经常使用多台空气压缩机，这使得手动控制更加麻烦且难以控制。因此，完整的空气压缩机组自动控制系统不仅简化了操作员的控制步骤，而且，它还使空气压缩机的使用更加高效、安全、准确，使用寿命更长，从而达到节约能源，节约资金，节省人力资源的目的。1.2空压机自动控制系统发展的趋势依照传统的空压机控制方式，即为继电器控制，整个系统接线复杂混乱、仪表设备链条繁杂，电气设备管理困难，对技术要求较高。介于传统的空压机控制方式的诸多缺点，人们选择使用了在更多方面都优于它的PLC控制，可编程控制器PLC具有内部软逻辑功能，精简了空压机控制系统的接线，使外部电路便于管理增强了系统的可靠性。为了方便现场调试PLC设计了在线编辑功能，为了系统出现故障后能快速恢复PLC设计了故障指示及故障阻断功能，就算是非电气专业人员也能够通过PLC轻松地检查和处理故障。此外，PLC控制系统相比于一般单片机、小型可编程控制器而言，由于其便于安装维修、现场抗干扰能力强，所以在恶劣的外部环境中工作也能不受影响的完成任务，拥有较高的可靠性与安全性[2]。PLC控制系统不需要建立专门的操作站，使用的软件和硬件又都比较常见，这样精简方便，性价比又高的控制系统逐渐被人们广泛接受。空压机自动控制系统电气设备连锁回路较少，使用PLC与触摸屏技术能够清晰地实现对空压机系统的监视与控制，再加上市场中不断下降的PLC价格与不断上升的用户需要，在生活中愈加常见，会有越来越多的空压机系统由PLC来控制。使用PLC控制空压机组工作的优势如此突出，在现实生活中也越来越常见。空气压缩机组在运行过程中，最常用到的控制技术中有恒压变频控制技术、自动加载卸载控制技术等，这些控制技术也基本需要PLC的自动控制，这些控制技术固然能够解决很多空压机组的供气问题，却也对压缩气体造成了一种资源浪费。空压机组为了应对供气系统中用气压力和用气量的变化，引起输气管道内以及储气罐内的用气压力与用气量的变化，空压机的运行工况不断调节变化，应在满足供气条件的情况下实现空压机组的经济节能运行，这应当是空压机组自动化控制系统的当代发展趋势。从空压机控制系统的发展趋势分析可以看出，未来的绝大多数空压机系统将选择PLC作为控制核心部件。在本文中，基本完整的设计和开发了用于空气压缩机的PLC控制系统。基于满足空气压缩机控制系统的节能供气的要求，在硬件结构、软件编译和模拟仿真等方面都做了尽可能详细的阐述，对于未来建立空压机自动控制系统具有参考作用。2空压机及控制方案2.1空压机概述空气压缩机是各种工厂，道路建设，采矿和建筑行业必不可少的设备。它们的主要功能是为生产提供动力——压缩空气，使机械设备能够发挥其预期的功能。如何实现空气压缩机的控制也是当前空气压缩机应用中的一个重要问题。空气压缩机在工业生产中具有不可或缺的地位。它们主要是提供压缩气体来作为执行机构中的电动气动阀的开闭能量，在空压机组自动控制系统中向储气罐内供应具有一定压力的恒定压缩空气。2.2活塞往复式空压机的组成及工作原理空压机分有很多种类型，目前以螺杆式空压机与活塞式空压机为市场主流，在工业生产中这两种类型空压机的应用也占绝大多的比重。本文所研究的是以三台往复式空压机为中心的自动控制系统，其中往复式压缩机主要就是活塞式空压机，活塞式空压机适用范围广，无论压力高低还是气流量大小的情况下，都有着足够的生产使用经验达到要求。活塞式空气压缩机从组成机构的构造特点、作用可大致分为四部分，如下所示：压缩机构。压缩机构由气缸、进气阀、出气阀等部件组成，为活塞式空气压缩机制造一个密闭的压缩空气的空间环境，让活塞完成压缩空气的任务。传动机构。传动机构由曲柄、滑块、连杆、活塞杆等部件组成，为活塞式空压机的活塞保证来回往复运动的动力，不仅能带动活塞完成压缩空气的过程也能带动油泵、制冷风扇等辅助设备工作。辅助设备。辅助设备由储气罐、油泵、水泵、制冷风扇、油气分离装置等部件组成，除能辅助活塞式空压机正常运行工作外，也能为空气压缩机起到储气、排水、除油及冷却等作用，为活塞式空气压缩机正常顺利的完成高质量的压缩任务提供了保证。控制机构。控制机构由调压器、调速器、减荷阀等部件组成，为了使活塞式空气压缩机的排气量与用户使用压缩气体的消耗量趋于平衡，压缩机系统管路中的气体压力需要保持一个定值，控制机构能够通过压力、温度等信号控制空气压缩机的供气量与负荷值相匹配，保证当空气压缩机不正常运行时，能够自行控制压缩机停机，避免造成压缩机的损坏，降低了对空压机设备的维修成本也保证系统的安全运行。活塞往复式空压机是指通过控制气缸内部的活塞来回移动从而改变气缸内部容积并实现气体输送的压缩机。往复式压缩机依照往复运动的部件分为活塞式和隔膜式压缩机。图2-1活塞往复式空压机工作原理图Figure2-1Pistonreciprocatingaircompressorworkingprinciplediagram1—曲柄2—出气阀3—气缸4—阀门弹簧5—进气阀6—活塞7—活塞杆8—滑块9—连杆活塞往复式空压机的工作主要依靠气阀、气缸与往返移动的活塞这三个部件[3]，另外再加上其他部件的辅助配合，使其压缩气体的的四个过程循环进行着。四个工作过程实现原理如下。压缩气体膨胀过程：当活塞向右移动时，气缸的容积增加，压力下降，原本残留在气缸中的残余气体膨胀。吸气过程：当压力略低于进气管中的气压时，进气管中的气体将吸气阀推入气缸。当活塞向右移动时，气体继续进入气缸，直到活塞移动到右端。压缩过程：当活塞向左移动时，气缸逐渐收缩，开始压缩气体的过程。处于气缸内的气体不能从进气口与出气口排出气缸，原因是吸气阀拥有止逆作用，防止气体逆向流动，而气缸内的气压低于出气管道内气压，气缸内的气体不能从出气阀逸出到气缸外部。出气管中的气体由于排气阀而具有止逆作用，不能流入气缸。因此，气缸中的气体数量保持恒定，并且只是因为活塞继续向左移动，气缸中的空气量减小，气体的压力持续增加。排气过程：当活塞向左移动并且压缩气体的压力略微上升到出口管中的气体压力时，气缸中的气体打开排气阀的弹簧进入出口管并连续排出，直到活塞移动到最左端。至此，空压机已经完整的完成了压缩空气的四个工作过程，活塞在气缸内连续做往返移动，使得气缸反复的吸入排出气体。其原理图2-1如上图所示。2.3油库对空气的质量要求压缩空气的压力露点是衡量压缩空气质量好坏的主要依据，压力露点是在对空气降温时能使空气刚好凝结出水的温度值，这个温度越低，压缩空气中的水分就越少那么压缩空气的质量越好[4]。在工业生产中，大多数气动设备对压缩空气的要求还是很严格的，假如压缩空气中的水分、油污、杂质超标的话，这将对气动系统中的设备造成很大的损害，在严重的情况下，它将会导致工业停止生产。油库对压缩空气的质量要求：压缩空气应有一定的压力和足够的流量。压缩空气应足够干燥且尽量不含油渍、固体颗粒等杂质。由于普通压缩空气中含有油，水和灰尘颗粒，这些物质的存在严重影响了生产工艺，为了减少或消除压缩空气中的污染物，必须使用干燥和清洁方法来满足生产要求。那么气动系统中的除油排水、去除其他杂质的辅助设备就必不可少了，因此，干燥压缩空气、清洁空气源的设施被广泛应用于工业生产中，尤其是油库等特殊场所。2.4空压机组控制要求及控制方案分析本课题主要研究内容是以平朔油库为背景设计空压机组自动控制系统，主要设备有3台单级风冷往复式空压机与1台容量为2的储气罐，3台空气压缩机的电机功率均为7.5，额定电压均为380，其额定工作压力与储气罐相同均为0.7，另外还有1台功率为2的空气干燥机，其额定电压为220，工作频率与空气压缩机同为50。主要设计指标为：系统改造后要具有手动、自动自由切换控制功能，空压机2用1备要实现分时轮换工作，具有自动控制及保护功能，产气质量稳定可靠，符合现场要求，并具有人机界面监控系统。系统启动后由对应的指示灯显示运行状态，活塞式空压机通过变频器始终围绕0.7运行，若首先启动空压机A给储气罐打气，运行一段时间后，如果压力还是不够的话，空压机B自动启动与空压机A一起向储气罐打气，否则不启动。空压机A和B工作8小时后，依照分时轮换工作要求，自动切换成空压机B、C工作8小时，空压机A作为后备，三台空压机如此循环。在自动控制系统中，使用可编程控制器PLC完成整个系统的自动化，在运行过程中，只要空压机的出口压力大于设定的最大压力值，系统就自动关闭对应的空压机，且过载信号指示灯会闪亮。另外，热继电器的动作都将自动切除对应的电路，保护用电设备。2.5系统总体方案设计针对本系统设计，将会依照总体设计方案完成系统设计，大体设计方案如下：图2-2系统总体设计方案框图Figure2-2Blockdiagramoftheoveralldesignschemeofthesystem3系统设计3.1空压机启动问题传统的空压机系统控制方式一般由电机运行控制和控制方式的加载和卸载组成，通过接触器的断开和闭合实现电机运行控制。本设计考虑空压机组功率小，可以选择合适的空气开关，接触器，热继电器和熔断器直接启动空压机。但是，电机额定电流过高，启动电流过大，这很容易损坏电网，我们需要对空压机系统设计保护电路。由于电机和压缩机的频繁启动和停止，对机械部件的影响很大，且不能保持恒定的供气压力，这在一定程度上间接影响了产品的生产质量。因此，空压机组直接启动并不是对系统有益最好的启动方式。只是可以采纳而已。此外，空压机电机启动方式大多采用星三角启动，这使得空气压缩机在启动时具有较大的启动电流，并且在装载和卸载时对设备的机械冲击较大，这不仅会引起电源电压的波动，还会引起压缩空气源的大幅波动，还会加速设备的磨损，降低设备的使用寿命。普通的空气压缩机不能根据压力或气流量的变化而自行调节，并且电机的频繁启动是不被允许的，因此，若输气管道内存在极少气流时，空气压缩机仍然轻载运行，产生不必要的能源浪费。空气压缩机单元由变频器驱动，减少电机启动引起的冲击负荷，控制电机转速，延长启动时间，使启动电流平缓升高，以达到软启动的目的，还能提高电网和电机的效率。同时，由于电机的工作频率可变，空气压缩机根据使用的气体量自动调节电机速度，这减少了电动机的频繁装载卸载，减少了频繁装卸载过程中浪费的能源损耗，也达到了恒压供气的目的[5]。在控制系统正常运行情况下，空气压缩机在变频器的调速控制下启动停止。如果变频器发生故障，且生产过程不允许空气压缩机停止工作。系统就此设定了空压机组工频和变频切换启动功能，当变频器发生故障时，可以通过接触器直接供给工频电源，使空压机工频启动正常工作。综上分析，本设计空压机组自动控制系统设计可用变频器带动空压机启动，工频变频可自由切换启动工作，使系统完成相关要求并达到最优。3.2空压机组自动控制系统主电路图空压机组自动控制系统主要由主电路和控制回路两部分构成，主电路包括各种等级的断路器和交流接触器，以及空压机等直接与强电系统连接，控制系统主要包括PLC控制器以及其外围电路，整个系统的主电路图如下图3-1所示。图3-1空压机自动控制系统主电路图Figure3-1Maincircuitdiagramofautomaticcontrolsystemofaircompressor3.3系统硬件设计及选型3.3.1过载保护及热继电器选型在系统实际运行过程中，会偶尔出现设备或电路非正常运行的情况导致电机过载运行，出现电机速度降低，绕组电流增加，绕组发烫的现象。如果过载时间很短并且过载时电流很小时，这种过载情况可以不被保护，但如果过载电流很大且过载时间较长从而导致电机绕组的温升超过极限值，电机绕组温升超过限值，这种过载情况有必要用热继电器进行相关过载保护[6]。热继电器利用电流的热效应原理在电机过载时直接切断电路，制止过载现象对电机系统的损坏。将交流接触器电磁线圈的控制电路与热继电器的常闭触点相串联，设定电流调节旋钮，在系统正常运行时，通过热继电器的额定电流使常闭触点与交流接触器保持闭合状态。当通过热继电器中的热元件的电流超过设定值时，即电机系统出现过载现象时，热继电器断开电路，完成过载保护。图3-2JR20系列热继电器实物图Figure3-2PhysicaldiagramofJR20seriesthermalrelays就空压机组自动控制系统中空压机组及干燥机的过载保护器件选择如下述所示。首先确定各台空压机与干燥机工频正常运行时的额定电流值，接着就依照约为1.15倍电动机的额定电流值选择热继电器的热元件额定电流，按照热元件额定电流确定热继电器型号后，设置整定值略大于或等于电动机额定电流。空压机额定电流，热元件的额定电流约为16，初步将热继电器型号定在JR20型系列，参考电气产品选型手册可基本选定热元件号为6S的JR20-16型热继电器，需要先将热元件的整定电流设置在16再投入空压机系统中保护电路。若系统运行过程中发现电机绕组温升并不高时热继电器经常提前动作，可将整定电流改为18，继续观察，以求最佳的配合。与空压机过载保护选型同理，通过选择热元件的额定电流来对热继电器进行选择，经大约计算干燥机额定电流，热元件的额定电流约为7.5，选定热元件号为14R的JR20-10型热继电器，调整整定电流范围为8.6~10再投入干燥机电路中使用。上图3-2为JR20系列热继电器实物图。3.3.2交流接触器交流接触器用于电动机频繁起动和远距离控制，它通过电磁力与弹簧弹力配合控制开关开合。在其本身应用就很便捷的基础上，考虑到选择的热继电器型号为JR20型系列，而JR20型系列热继电器在设计时考虑到相间距离、安装位置等因素可与CJ20型系列交流接触器配套使用，在空压机组的启动控制上起着至关重要的作用，也同时拥有较好的技术经济性。图3-3CJ20-16交流接触器实物图Figure3-3PhysicaldiagramofCJ20-16ACcontactor交流接触器作为控制空压机组与干燥机启动停止的关键电气设备，在控制系统中有着必不可少的地位。交流接触器具有两种运行状态：失电状态和得电状态。在PLC技术中，交流接触器电磁线圈的控制电路可作为电机的输出响应，当输入满足条件时，对应的交流接触器电磁线圈输出收到信号得电，触点闭合，导通空压机或干燥机的启动电路，使其工作运行。上图3-3为所选交流接触器实物图。3.3.3短路保护电动机的短路保护通常使用熔断器，也就是我们通常所说的保险丝。熔断器的熔体很灵敏，它会在短路故障发生时瞬间熔断，从而断开电路保护电机。熔断器必须满足在电气系统正常运行工作期间不应熔断，如果发生短路，应立即烧断，如若系统中处于允许范围内的电流波动时，熔断器不应烧断，当系统处于持续过载状态，电流过大时，熔断器应延时烧断。螺旋式熔断器常被用于空压机系统的短路保护，按最大启动电流选择单个电动机的短路保护的熔断器，可用以下公式选择：（3-1）式中--熔体额定电流；--电动机额定电流。根据电气产品选型手册选择空压机短路保护熔断器,在30左右，额定电压380，频率50，可基本选定型号为RL1-60-30的熔断器作为空压机电流保护器件。另外，对于干燥机来说也需要熔断器的保护，其约为20，额定电压220，频率50，可基本选定型号为RL1-60-20的熔断器作为干燥机电流保护器件。下图为RL1-60型号熔断器。图3-4RL1-60型熔断器实物图Figure3-4PhysicaldiagramofRL1-60fuse3.3.4压力变送器压力变送器是一种将压力信号变换为气动或电动信号，从而进行控制和远程传输的装置[7]。压力变送器中能够感受到压力的电气元件通常是电阻应变片，电阻应变片主要以金属电阻应变片和半导体应变片为主流。当空压机组自动控制系统中输气管道内的取压口经测量元件读取压力数值传递到传感器时，电阻应变片发生形变，与此同时，膜片上的相关电阻阻值也随之形变而变化，其电阻变化所产生的输出电压与输入压力成正比。变送器外壳由精铸不锈钢制成，前侧有一个玻璃窗，可直接读取在数字仪表上显示的测量值。压力变送器的工作是由压力传感器与转换电路组合完成的，压力传感器在控制系统中感受到输气管道内压缩气体的压力值，经由转换电路将模拟压力信号转换输出标准的4~20电信号，能够在调节器与指示器报警等二次仪表上起到测量、监控与指示等作用。一般情况下，选择压力变送器的要求按照实际测量压力为测量范围的0.8进行选择。我们需要在空压机出口以及储气罐进气口安装压力变送器，另外在进入干燥机之前需要通过压力变送器传递信息，使干燥机判断是否工作。在空压机组出气口以及储气罐进气口安装目的在于，判断空压机如何工作从而满足储气罐内的平衡。空压机工作压力0.7，可选择BST6600-BB系列两线制棒状压力变送器，量程0~1,供电电压9~36VDC，输出信号4~20。BST6600-BB系列棒状压力变送器实物图如下图3-5所示。图3-5BST6600-BB系列压力变送器实物图Figure3-5PhysicaldiagramofBST6600-BBseriespressuretransmitter3.4变频器空压机正常工作有时会造成很多不必要的资源浪费，是因为空压机工作在减载模式时电机处于空转状态，没有任何有用功的输出。变频器的应用可以有效地解决这个问题，变频器采用调整频率的方法来实现电动机速度的控制，并且空气压缩机的风量主要取决于电动机的转速。因此，通过控制电动机的转速，可以有效地控制系统中的压力变化。只要保证压力不超过临界值，电机就不会处于空载状态并消耗能量。具体原理为：通过PLC和变频器实现对输气管道内压力的有效控制，这样它就不会超过临界值。压力变送器读取输气管道内压缩空气的压力值，并将实际值与设定值进行PID控制运算，将结果反馈给可编程控制器PLC，从而获得电机的当前运行频率，再反馈给变频器，然后根据实际情况计算并输出合理的频率，调节空压机组的运行状态以改变系统的供气速率，使系统一直处于正常运行状态避免输气管路的压力超标致使电机空转运行，减少系统能源损失，最终能够实现对空压机组自动控制系统的节能改造[8]。为满足空压机系统的特性，在选择变频器时应考虑以下两点：由于空压机的恒转矩特性与较大的飞轮转矩，所选的变频器也需要有较大启动转矩的恒转矩型变频器。为了满足技术经济性要求，所选的变频器应有内置调节器功能，否则的话就必须在变频器外接有外置调节器。图3-6FR-A500型变频器实物图Figure3-6PhysicaldiagramofFR-A500inverter本系统选用了FR-A500型变频器，三菱公司出品的FR-A500型变频器拥有内置PID调节功能，且适用于与同为三菱系列的FX2N系列PLC配合使用，其实物图如图3-6所示。在变频器投入控制系统使用之前，需要将空压机系统的额定电压、额定电流、额定功率、运行频率等参数输入到变频器中，若空压机长期于变频器运行的起始频率运行，会对电机不利。为避免这一现象，可将空压机自动控制系统的变频器输出下限频率设置在，频率上限设置为。变频器正常运行时能够输出不同的频率来使电机达到不同的转速，从而改变空压机的供气速度。系统运行过程中可通过设定值与反馈值的比较，把比较结果反馈给PLC，通过PLC发出指令调节变频器频率。3.4.1变频器控制原理控制系统中电动机转速公式为:（3-2）式中，n为电机转速，f为电机频率，s为电动机的转差率，p为电动机极对数[9]。由式(3-2)可知，转速n与频率f成正比，改变频率即可正比改变电机转速，使用变频器可以在0~50的范围内调节电机频率，从而调节空压机的供气速度，加入变频器这一调速手段的运用使得空压机组自动控制系统有更高效率去达到系统要求。降低输出频率之后，电机端电压与频率成正比的下降，也就致使电机输入功率降低[10]。变频器可以依照空压机组的负载情况，自动调节电机的端电压，可以减小电机产生的工作电流。在基于电机正常运行且不对供气量产生影响的要求上，合理的自动调节电机的用电量，以达到节能省电的目的。图3-7变频器闭环控制原理图Figure3-7Inverterclosed-loopcontrolschematicdiagram根据以上对空压机系统的分析，应用变频器技术控制空压机的运行状态达到节能与系统最优化的运行模式。应用变频器技术控制空压机组的方法为以输出压力作控制对象的恒压闭环控制。压力设定值可以直接在变频器的面板上设置，实际工作压力经由压力变送器将压力信号变换为4-20的电流信号，设定值与实际值进行PID控制运算，PID运算结果反馈给PLC，使变频器调节输出频率从而改变电动机端电压，实现对空压机组的自动控制，使空压机系统的储气罐内部气压保持恒定额定压力值，在满足恒压供气的要求的基础上也实现了节能的目的[11][12]。这种变频器与PLC的综合控制方式能在压缩空气随机变化的情况下保证空压机系统始终保持设定压力下自动运行,无需人工参与调节。闭环控制原理图见图3-7。结合实际情况，为了确保安全性和可靠性，变频调速系统和原有的工频启动系统共存，并且可以随时切换，互为备用。三台空气压缩机使用一套变频控制系统，变频器带动两台空压机运行，一台备用。工频三相电源与变频器带动电机能够相互切换且工频电源不会给变频器反送电，使系统具有较高的可靠性。在系统中加入变频器的应用后运行时，输气管道及储气罐内的压力变化幅值明显小于只工频运行时。此外，变频控制空压机系统使电机平缓启动，相当于实现了电机的软起软停，降低了对系统的影响与冲击，使控制系统中的电气设备使用寿命增长也降低了系统中的维修费用。另外，由于变频器的加入实现了系统的闭环自动调速，无需人工调整系统自行完成工作要求，实现了系统的自动化要求。这与空压机组系统传统的工作模式相比，此方案节能效果更为显着，而且压缩空气负荷越小，节能效果越显着。3.4.2变频器闭环PID控制PID控制具体是将压力变送器测得的实际压力值反馈到变频器并与设定值进行比较，以判断是否达到控制系统指定要求的调节控制方法。PID控制是比例控制（P）、积分控制（I）和微分控制(D)的组合，是工业控制技术中稳定性好、可靠性高、便捷性强的一项优质技术。变频器PID控制是在Uf开环控制的基础上，引进PID处理电路，构成控制闭环。PID控制技术常用在空压机组的自动控制中。在控制中，变频器要想进行PID闭环控制，必须要有2个信号，就是:(1)目标信号，也叫设定值。设定值就是需要稳定的非电物理量换算的电量值，可由变频器模拟控制端子给定。(2)反馈信号，即为反馈值。反馈信号一般由模拟传感器给定。现分析设备为空压机，要求设定压力为0.7,0.7就是目标信号，传感器量程选择为0~1,输出电压为0~10，它可用模拟量给定，即在外部操作模式时由变频器2、5端子间施加对应的7电压。反馈值通过变频器4、5端子之间输入信号，当反馈值未达到设定压力时，电机以上限频率运行,而达到或超过设定压力时，电机降速或停止运行[13]。即反馈电压小于目标电压，升速；反馈电压大于目标电压，降速；反馈电压等于目标电压，恒速运行。PID调节功能将随时对给定值和反馈值进行比较，从而向PLC控制器发出控制信号操控空压机组。也就是说，PID调节功能能根据两者的差值使用比例P、积分I、微分D计算对压力信号值进行调整，调整到反馈值与设定值基本一致，以达到预定的控制目标为止。图3-8闭环PID控制原理图Figure3-8Schematicdiagramofclosed-loopPIDcontrol3.5储气罐众所周知，工业生产中常见的动力源压缩空气站就是由空气压缩机、储气罐与干燥机等设备组成的。其中储气罐是专门用于储气缓冲存放压缩空气的容器，在空气压缩机系统中是必不可少的存在。储气罐的功能是储存气体并缓冲平衡压力，并且还能够分离压缩气体中的油和水。储气罐是压力容器，由压力容器指定的工厂生产，每个储气罐都有容器检验证书和安全阀和压力表等附件[14]。储气罐不仅能够稳定从活塞式空压机组中派出的流动压缩气体，还能够加强输气管道内压缩空气的稳定性与运输连续性，并进一步沉淀和分离压缩空气中的水和油，以确保持续供应足够的气体。储气罐可以组合使用或在单个单元中使用。3.6干燥机压缩空气中存在水分会影响生产过程并损坏气动设备。如果不使用压缩空气干燥器，需要停止生产工作，专门进行排水工作，这是浪费时间。如果因为没有干燥气体导致设备损坏，需要对设备进行大修，这是资金成本加上时间成本。因此，我们需要一台干燥机来干燥气体，去除水分，并输送干燥气体。干燥机对空气压缩机系统十分重要，干燥机安装在储气罐后，可以更充分的使储气罐起到冷却、缓冲及排污等作用，降低了干燥机工作的负担，实现系统各部件的充分利用，体现控制系统的技术经济性。干燥机由干燥塔、干燥剂（氧化铝）、安全阀、汽水分离器、PLC控制系统等构成。其工作原理如下：图3-9干燥机原理图（1）Figure3-9Dryingmachineschematicdiagram(1)如图3-9所示，从空压机排出的压缩空气经储气罐从1号管路进入“B”罐，压缩空气中水份的会被管内的吸附剂吸收绝大部分，其中吸附剂的主要成分为，对气体中的水分有极强的吸附能力。被干燥后的空气从“B”罐排出，其中大部分干燥空气由2号管路送至用气设备还有小部分干燥气体经3号管路流至“A”罐将所吸附的水分带出干燥罐内，最后经4号管路排出到大气中。图3-10干燥机原理图（2）Figure3-10Dryingmachineschematicdiagram(2)经过一段时间后如图3-10所示，“A”罐“B”罐互换工作任务，即从空压机排出的压缩空气从1号管路进入“A”罐，压缩空气中的水份附在罐内吸附剂上。同上述环节相同，干燥空气从“A”罐出来，其中大部分气体由2号管路送至用气设备还有小部分气体经3号管路流至“B”罐，在“B”罐内干燥空气将吸附剂上的水份吹出，经4号管路排出。一段时间后又如图3-1所示,“A”罐“B”罐两者切换并循环运转着。本系统中空压机组共用一台干燥机，干燥机可通过PLC通过压力变送器控制干燥机转子电动机。当压力变送器感应干燥机进气管道内压力达到0.7时，经过A/D转换模块通道2读取压力信息传递信息给PLC，控制干燥机运行。3.7系统配置在当今时代，PLC发展很快，其结构不断完善，功能不断改进，性价比越来越高。在空压机组自动控制系统中，会有地方对压力信号的采集控制，将压力信号输入到PLC控制器中就需要模拟量输入模块A/D转换与压力传感器相匹配。另外，在这种情况下，一般在控制系统中的逻辑运算应用会较多，所以理应选择运算功能较强的小型PLC。对于空压机组自动控制系统，选择使用日本三菱公司产的FX系列PLC，FX系列PLC具有广泛的适应性，其中FX2N子系列在FX系列PLC中属于性能较强、运算速率较快的一种，可以扩展到高达256个I/O口并具有强大的网络通信功能，能够满足本系统设计的要求。图3-11三菱FX2N-48MR实物图Figure3-11Mitsubishifx2n-48mrphysicalmapFX系列PLC相比于同类型的其他型号PLC体积更小，拥有更精简的外观、更灵敏的配置，性能好，更便于使用。另外，在FX系列PLC中占据主流应用的FX2N型号PLC更是拥有更强大的功能与更快的运行速度，它的每步基本指令执行时间可达0.08微秒，内置用户存储器为8KB，且具有多种特殊功能模块完善系统控制[15]。本文则针对相应控制要求选择小型PLC，大致估算输入输出资源配置，I/O口需要40个左右，选用三菱FX2N-48MR。三菱FX2N-48MR需要DC24供电，应在三相电中引出隔离变压器变比1：1由电电关联变成电磁关联，隔离变压器作为隔离电源起到保护作用，再通过开关电源变压器将AC220转换成DC24实现给三菱PLC供电。对于隔离变压器的要求为输入AC380，输出AC220，容量3，可选用XC-SG系列三相干式变压器，三绕组壳式变压器，工频运行，具有性能优良，工作可靠，适应性强以及可以长期工作等优点。对于开关电源的要求为输入AC220,输出DC24，可选择4NIC-K24开关电源为可编程控制器PLC供电。图3-12XC-SG系列隔离变压器及4NIC-K24开关电源实物图Figure3-12XC-SGseriesisolationtransformerand4NIC-K24switchingpowersupplyphysicaldiagramFX2N常用的有FX2N-2AD、FX2N-4AD、FX2N-8AD模拟量输入模块。为了与压力变送器输出值4~20相匹配，所应用的模拟量输入模块A/D转换器的电流输入也应该满足4~20，考虑对控制系统中硬件设备与软件编程的熟练度，此处本设计选用FN2N-4AD模块，三菱FX2N-4AD模块是三菱电机公司推出的一款FX2N系列PLC模拟量输入模块，它有CH1-CH4四个通道都可进行A/D转换，电流输入为4~20。FX2N-4AD模块内部图3-13三菱FX2N-4AD及FX2N-2DA模块实物图Figure3-13PhysicaldrawingsofmitsubishiFX2N-4ADandFX2N-2DAmodules有32个16位的缓冲寄存器用于与主机交换数据，通过扩展电缆与PLC主机相连，其四个通道的外部连接则根据外部输入电压或电流量的变化而变化。模拟量输入模块FX2N-4AD应连接外接电源DC24，与可编程控制器FX2N-48MR相同。为了能将读取到的实时压力值反馈给变频器，使变频器带动空压机运行，实现系统要求，需要一个模拟量输出模块将反馈压力值传递给变频器。对比相关资料，可选择FX2N-2DA模拟量输出模块。三菱FX2N-2DA模块是被广泛应用于自动控制系统中的一种特殊功能模块。FX2N-2DA型模拟量输出模块能够将2点数字量变换为电流或电压模拟量输出，该模块的两个模拟输出通道可输出为0-10DC或4~20，与输出特性相匹配。另外，此模块也可被分配为PLC的输入或输出并占用PLC8个I/O点，在软件编译中使用FROM/TO指令与PLC进行数据传输。3.8软件设计3.8.1功能分析及程序流程图设计本系统设计实质上就是利用PLC控制器与变频器综合应用控制空压机组为储气罐自动供气，压缩气体作为空压机系统中的基本控制对象，空压机打气量需要随时满足储气罐内的储气量。在空压机系统中，压力变送器中显示数值能够充分反映空压机打气量与储气罐内的储气量之间的需求关系：若储气罐内储气量不够，气压较低，则认为空压机打气量不足，需要继续工作供气；若储气罐内储气量满足条件，气压达到额定值0.7，则认为空压机打气量足够，停止向储气罐供气。如此，通过PLC技术与变频器技术综合控制空压机组的运行，控制空气压缩机系统中输气管道内的气流量，达到恒压供气的目的，保证储气罐内的储气量维持在额定值附近。设计空压机组自动控制系统，为了保证系统的安全可靠，设置了可以自由切换的手动与自动两种启停方式。按下指定手动开关，可以启动或停止对应空压机，即使系统在正常运行下，若是手动强制使空压机停止工作，则空压机系统就必须停止运行，此时自动控制不在调整电机重新启动。当然，若非极特殊情况，系统正常运行时不会手动停止空压机运行。在自动控制运行方式，没有任何人工手动操作，空压机系统会根据变频器内置PID运算联合PLC控制器自动控制空压机自动启停。在空压机组自动控制系统中以空压机A、B工作为例，其自动控制子程序流程框图如下图3-14所示：图3-14空压机A、B自动控制子程序流程图Figure3-14FlowchartofautomaticcontrolsubroutineofaircompressorAandB3.8.2I/O口分配根据控制系统的要求，可以列出输入资源配置（如表3-1所示）和输出资源配置（如表3-2所示）表3-1空压机控制系统的输入资源配置表Table3-1tableofinputresourceconfigurationofaircompressorcontrolsystem序号变量输入地址说明In1SB1X000启动In2SB2X001停止In3SB3X002启动空压机AIn4SB4X003启动空压机BIn5SB5X004启动空压机CIn6FR1X005空压机A过载保护In7FR2X006空压机B过载保护In8FR3X007空压机C过载保护In9FR4X010干燥机过载保护表3-2空压机控制系统的输出资源配置表Table3-2outputresourceconfigurationtableofaircompressorcontrolsystem序号变量输出地址说明Out1KM1Y000空压机A工频启动Out2KM2Y001空压机A变频启动Out3KM3Y002空压机B工频启动Out4KM4Y003空压机B变频启动Out5KM5Y004空压机C工频启动Out6KM6Y005空压机C变频启动Out7HL1Y006过载报警指示灯Out8KM7Y007干燥机运行指示灯Out9KA1Y010变频器运行3.8.3PLC外围I/O口接线图空压机组自动控制系统的控制系统电路如下：图3-15PLC外围I/O口接线图Figure3-15PLCperipheralI/Ointerfacewiringdiagram3.8.4系统主程序梯形图根据上述对系统的分析，可选择符合本空压机自动控制系统的PLC控制器的编程软件对系统进行编程。介于本系统使用的是三菱FX系列型号的PLC，在软件编译时可使用三菱电机公司推出的三菱综合PLC编程软件GXWorks2来完成这个系统的梯形图程序设计[16]。GXWorks2软件同传统的GXDeveloper软件一样，都是专用于三菱PLC设计、调试与维护的编程工具，只是GXWorks2软件在相比之下变得更加容易使用，功能与操作性能都得到了提高。以下列出梯形图分部程序，完整的梯形图程序见附录C。首先，如图3-16所示。启动整个系统，M10得电、变频器运行。M10为启动中继，相当于中间继电器，在系统中有着中间控制作用。将电流信号4-20写入4AD通道设置上，把读取的实时值放在数据寄存器D100、D101中。若位于通道2的压力数据D101达到0.7，干燥机就开始运行干燥压缩气体。图3-16系统启动梯形图Figure3-16Systemstartupladderdiagram图3-17设定值反馈值存储数据梯形图Figure3-17Setvaluefeedbackvaluestoragedataladderdiagram如图3-17所示，把读取的实时压力值转换成0~1以内的工程值存入D104数据寄存器中，把设定值0.7转换成PID运算的整数，依照PID控制的设置输出运算，使存入D122中作为PID运算设定值压力，同时，实时压力即反馈值也应被转换成PID运算的整数存入D142中，接下来启动PID控制运算。如图3-18所示，运行后先启动一个空压机然后从AB开始定时8小时循环。D50表示启动几台空压机的数据，D400表示定时循环：等于0表示空压机AB工作；等于1表示空压机BC工作；等于2表示空压机CA工作。另外，如果一台空压机工频运行8秒后仍然达不到要求，应该增加最多一台空压机。图3-18增加空压机运行梯形图Figure3-18Addaircompressoroperationladderdiagram如图3-19所示，若是空压机低于工频运行8秒后，压力仍然大于设定值，应该减少至少一台空压机。图3-19减少空压机运行梯形图Figure3-19Reduceaircompressoroperationladderdiagram如图3-20所示梯形图程序解决了空压机两两分组分时轮换工作的问题，空压机组运行后T8定时半小时，计数器计数16次，完成空压机组的每8小时分时轮换工作。图3-20空压机组分时轮换工作梯形图Figure3-20Ladderdiagramoftime-sharingrotationofaircompressorunits如图3-21所示，图为启动后空压机A工频及变频运行情况，当循环到空压机AB运行且只有A运行时，以及作为空压机BC运行时的后备需要启动时，空压机A会工频启动。当然，手动启动空压机A也能够直接起动空压机。另外，当循环到空压机AB运行且基本满足储气罐压力要求时，以及空压机CA工作且空压机C工频运行仍未达到要求时，需要空压机A变频启动。空压机B、C与之同理。图3-21空压机A工频变频运行梯形图Figure3-21TrapezoiddiagramofaircompressorAoperatingwithpowerfrequencyconversion图3-22所示为当空压机A、B、C以及干燥机处于过载状态时，应触发过载警示灯，作为整个系统的保护作用。图3-22过载报警梯形图Figure3-22Overloadalarmladderdiagram3.8.5系统仿真在GXWorks2软件中编辑程序后，也可在该软件中进行系统模拟仿真。打开程序，点击“调试”→“模拟开始/停止”，软件处理完后，即进入模拟运行状态。运行时，可以选中输入继电器触点，点右键→调试→当前值改变，在弹出的界面上，可以改变输入继电器的工作状态。也可以使用同样的方法假设读取模拟量压力的数值，即改变相关数据寄存器的数值，从而达到验证系统设计是否可行的目的。点击模拟仿真后，软件界面首先写入PLC，完成后，显示如下界面。如图3-23所示。图3-23仿真初始界面Figure3-23Initialinterfaceofsimulation图3-24仿真闭合总开关图示Figure3-24Diagramofsimulatedclosedmainswitch随后选中输入继电器触点，使总开关闭合，系统投入运行。如图3-24所示。通过改变相关数据寄存器内的取值，从而假设实际取到的压力值。假设实际取值0.7，依照FX2N-4AD的输出运算，那么D100、D101中存储的数据为1400，同时干燥机满足条件开始运行。此时，循环到空压机AB工作，由于已经达到储气罐内压力的要求，不需要任何空压机工频情况下运行，只有空压机A变频启动。如图3-25所示。图3-25实际压力0.7仿真示意图Figure3-25Simulationdiagramofactualpressure0.7如图3-26所示，假设实际压力没有达到0.7，D100、D101存储数据为1000，即实际压力为0.5，干燥机不满足运行条件。并且在此条件下，当循环到空压机AB工作时，空压机A应当实现工频启动，而空压机B也满足变频启动的条件。图3-26实际压力0.5仿真示意图Figure3-26Simulationdiagramofactualpressure0.5在系统运行过程中，定时器与计数器一直在循环工作，保证了空压机组的每8小时分时轮换工作机制。下图为空压机BC运行时，两台空压机已经工作6小时的状况。另外，通过假设空压机B过载运行，能够实现过载信号指示灯的导通，能够实时报警，保证了保护电路的正常运行。其仿真结果如下图3-27所示。图3-27空压机分时轮换工作及过载报警仿真示意图Figure3-27Simulationdiagramoftime-sharingrotationandoverloadalarmofaircompressor4触摸屏触摸屏技术最早出现在上世纪90年代时，随着当时计算机技术的普及，这一新的人机交互作用技术逐渐被人们广泛应用。触摸屏简称为GOT,又称为电子操作面板，能够使用户在触摸屏显示画面上直观的看到对控制系统中的各元件的监视与各个相关数据的变化。利用触摸屏技术，用户只需要简单地用手指轻轻触碰触摸显示屏上的图文或开关按钮就能实现对空压机系统的操作，使整个控制系统的运行状态更为直观，对空压机系统的实时操控更加简易方便[17]。触摸检测组件与触摸屏控制器作为触摸屏的主要组成部分。前者能够接收触摸信息与确认触摸位置，在显示器前将检测到的信息发送给后者。后者将检测到的相关信息转换为坐标并发送至PLC的CPU中，从而接受指令，执行任务。使用触摸屏技术监视并操控系统运行时，可直接用手指或其他物体点击触摸屏相关按钮对系统进行准确且极为便捷的操控。触摸屏技主要有大致如下几点特点：（1）取代了键盘和鼠标。（2）结实耐用，可以在恶劣的环境下工作。（3）输入设备完全整合到显示器中，节省占地空间。（4）操作界面菜单设置简单明确，提高了人员操作的精准度，避免了对控制系统的误操作。4.1触摸屏类型触摸屏的类型可按照其传输信息的介质和工作原理分成四种类型：电阻式、红外线式、电容式及超声波式触摸屏。在这四种类型中，自二十一世纪以来，电阻式触摸屏每年均保持在了所有类型中用户需求最多的一款触摸屏，在触控技术中占据主导地位。目前全球触控面板的供应以日本和美国为主，日本擅长于电阻式技术，主要用于电子手册PDA、WAP手机等。美国的触控市场涉及了光学式、电容式、红外线式及超声波式等多种技术，主要应用于公众资讯系统、游戏机、办公用品及金融等领域。下面将简要的介绍上述的触摸屏类型。电阻式触摸屏的屏幕部分是多层复合膜，复合膜与显示器的表面非常兼容并且通过压力感测来控制。这款触摸屏可以在恶劣的环境中使用，但触觉和透光程度低，适合不直接用手指触摸界面操控的场合。电阻式触摸屏对压力敏感，需要强度才能响应。它的优点是能够精确定位，适合编辑文档，缺点是灵敏度不如电容式触摸屏那么高。电容式触摸屏的结构保护功能很强，不惧怕外界环境对触控技术的影响，恶劣环境下仍能精确触摸位置。由于电容式触摸屏中影响电容的因素很多，导致其稳定性相比于电阻式略差些。电容式触摸屏具有静电敏感性，需要导体触摸屏幕才能响应，用手指轻触摸屏幕即可识别。该类型非常灵敏，但不能准确定位，例如，在编辑文档时，点击单词或标点符号并不容易。红外线式触摸屏通过触摸者遮挡红外线的位置确定其界面坐标，也就是触摸位置。静电干扰影响不到该类型，因此能够适应某些艰苦环境。而超声波式触摸屏与红外触摸屏工作原理类似，当触摸屏幕时，超声波在接触点上会被阻挡，该类型触摸屏则以此为条件来确定坐标。超声波触摸屏不适合在恶劣环境中工作。4.2触摸屏界面设计三菱触摸屏来到中国市场已经有了几十年的发展历史，经过市场的整合，产品的设计和客户的选择形成了最优化的产品结构，其中老牌产品GOT-A900系列以及GOT-F900系列的弱点逐渐体现，也因此GOT1000系列触摸屏在市场中的优势凸显出来，占据主要市场。GOT1000系列触摸屏分有高性能机型GT15系图4-1三菱GT1155-QSBD型触摸屏实物图Figure4-1MitsubishiGT1155-QSBDtouch-screenphysicaldiagram列、基本功能机型GT11系列与超小型机型GT10系列三种系列的机型。出于本系统的要求基本功能机型能够满足，可选择GT1155型触摸屏GT1155-QSBD作为连接PLC的人机界面，其机型简洁且功能强大，显示尺寸为5.7英寸，256色TFT液晶显示，分辨率320×240，STN彩色型显示设备，面板颜色为黑，电源接DC24，内置3标准内存。触摸屏与FX系列可编程序控制器的程序连接器连接，在触摸屏内能够显示各个空压机以及干燥机的运行工况、能够在屏内显示输气管道内的实时压力值是设计触摸屏界面的目的。上图为三菱GT1155-QSBD型触摸屏实物图。本系统中触摸屏使用GTDesigner3软件设计界面并用GTSimulator3软件对触摸屏界面进行仿真，主要界面包括系统运行显示界面以及系统运行操作界面，两界面可相互切换。在GTDesigner3软件中选择GOT11系列触摸屏，由于控制系统使用FX2N系列PLC，故连接机器设置选择“MELSEC-FX”这一项。进入画面设计界面后，即可开始对触摸屏的背景、按钮、文本等进行设计，画面设计完成之后，触摸屏按钮对应控制系统梯形图程序的输入输出地址，先使PLC梯形图编程软件GXWorks2处于仿真状态，然后打开GTSimulator3仿真软件，点开对应工程文件，读取全部监视数据，实现PLC与触摸屏技术的联合应用仿真，点击操控画面中的启动按钮后，程序将按预期的任务要求进行。图4-2空压机组自动控制系统运行显示界面Figure4-2Displayinterfaceofautomaticcontrolsystemofaircompressorunit在系统运行显示界面中用指示灯的亮灭显示出各个电机的运行情况以及过载报警信息，下图显示信息为触摸屏仍然是以模拟在FX2N-4AD模块中通道实