PLC的空压站变频调速控制系统探讨
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【摘 要】以plc应用于空压站电气控制系统的技术改造实例，对PLC与变频器的通信及系统人机界面进行设计。
【中图分类号】 G 【文献标识码】 A
【文章编号】0450-9889（2015）06C-0179-03
工业企业空气压缩站（简称空压站）或空气压缩机房（简称空压机房），使用压缩空气作为重要生产动力源。目前越来越多的自动化设备应用于工业控制现场，如正业控制汁算机、PLC、触摸屏和变频器等，利用这些设备可以大大地提高设备的自动化水平、生产效率和控制精度，实现系统的节能降耗和经济运行。
一、控制系统的控制要求和原理
（一）系统的主要控制要求。采用PLC控制变频器进行空压站技术改造后，系统的主要控制要求如下：
1.控制系统有手动和自动两种方式。在自动运行时（手动预先设定变频器控制的机组，1号或2号机组）。根据压力传感器输出的模拟电压或电流信号（0～10V或4―20mA）由PLC进行PID调节运算，控制变频器在15～50Hz之间节能地运行。其中，3～5号备用机组的控制要求为：当管道压力低于工作压力下限值（预先设定）并且变频器输出频率在上限值（预先设定）时，经过延时（延时时间可设置）由PLC控制启动3、4号其中一台机组，直至3～5号机组全部启动；当管道压力大于工作压力上限值（预先设定），并且变频器输出在下限（可设定），经延时（延时时间可设置）由PLC停止3、4号其中一台机组。同样上述两条件不变可再停一台，直到停完。
2.压力信号取自压力传感器或变送器，系统工作压力上、下限可由PLC设定。
3.手动工作时只有3、4、5号机组的启、停通过手动按钮操作，其他工作情形与自动工作方式时一样。
4.变频器在PID调节故障时可使用电位器人工进行调速。
5.人机界面要求。变频器的运行监视参数可通过RS―485串行接口，经PLC由触摸屏进行远程显示。机组的启、停延时时间可通过触摸屏修改（20～6005）。
（二）控制系统的控制原理。控制系统的控制原理主要是：由PLC基本单元扩展出模拟量输入/输出模块，通过压力传感器实时检测压力值送人模拟量模块进行PLC内部的调节运算，然后由模拟量输出模块输出直流0～10V的电压信号至变频器，变频器的输出频率信号通过模拟量输出端子回送到PLC，构成模拟量闭环控制回路。由压力传感器测量实际压力后与压力设定值进行比较，经PLC内部PID调节运算实时控制变频器的输出频率，从而调节空压机（三相异步电动机）的转速，使供气系统空气压力稳定在设定压力值上。通过变频器PU接口的RS―485串行通信可以读人变频器除频率外的其他主要运行参数，如电流、功率和电压等。
这样由PLC、变频器、三相交流异步电动机、压力传感器（变送器）等组成的压力反馈闭环控制系统，能够自动地调节三相交流异步电动机的转速，使供气系统空气压力稳定在设定范围内，进行恒压控制。
二、控制系统的硬件选型
根据控制要求和控制规模的大小，这里选用三菱公司的FX系列小型PLC作为系统的主控制器，模拟量输入输出模块选用FXlN。―485BD，变频器选用三菱的FR―A700系列，触摸屏选用上海步科电气的eView系列MT510，压力传感器则选择TPTS03型压力传感器。
（一）系统的主控制器――FXlN―40MR。FXlN系列属于FX系列PLC中普及型的子系列，经过扩展适当的模拟量模块并使用PID指令，完全可以满足对中等规模空压站控制系统闭环模拟量的控制要求。根据系统的控制规模和对I/O点数的要求，系统的控制器选择FXlN―40MR，为继电器输出型，有24点开关量输入，16点开关量输出。
FXlN系列PLC在加装了通信扩展板FXlN―485―BD后，通过网线与变频器的PU接口相连后，可与之进行由PU接口引出的RS―485串行通信，读取变频器的监控参数，如实际频率、电流、功率和电压等。
（二）模拟量输入输出模块――FXON―3A。FXON―3A模拟量输入输出混合模块有两个输入通道（0～10V电压或4―20mA电流）和一个输出通道。输人通道接收模拟信号并将模拟信号转换成数字值，输出通道采用数字值并输出成对应比例的模拟信号。输入/输出通道选择的电压或电流形式由用户的接线方式决定。FXON―3A可以连接到FX2N＼FX2NC、FXl1N、FXIN等系列的可编程序控制器上。FXON―3A的最大分辨率为8位。FXON―3A在PLC扩展母线上占用8个I/O点。这8个I/O点可以分配给输入或输出。所有数据传输和参数设置都是使用PLC中的FROM/TO指令，通过FXON―3A的软件控制调节。PLC与FXON―3A之间的通信由光电耦合器进行保护。
FXON―3A的端子和外部接线如图1所示。
（三）变频器――FR―A700。变频器的基本原理和应用技术在第四章中已有介绍，读者可以参见前面的相关内容。根据空压站系统的压力负荷，选择的变频器是三菱FR―A700系列的A740，功率为110kW。
（四）触摸屏――MT510。在本控制系统中，采用MT510作为人机交互的界面，它具有界面美观、组态编程灵活、交互功能强等特点，便于与系统其他部分集成。
三、控制系统的硬件设计
（一）控制系统的硬件总体组成。空压站PLC控制系统的硬件总体组成框图如图2所示。FXON―3A模拟量模块的输入通道可读取压力、温度传感器的测量值，其输出通道输出0～10V电压信号作为变频器FR―A740的频率给定。变频器FR―A740的PU接口与加装了FXlN―485BD通信板的FXly4系列PLC可实现基于RS―485总线的串行通信，PLC便能够读人变频器的电流、功率和电压等运行参数。
图2 空压站PLC控制系统硬件总体组成框图
（二）系统的主电路和控制电路。空压站PLC控制系统的硬件设计主要包括主电路和控制电路的设计。
1.主电路。空压站PLC控制系统的主电路如图3所示。
2.控制电路。空压站控制系统PLC外部接线图和控制电路图（部分）分别如图4和图5所示。
四、PLC的程序设计
控制系统的程序主要包括空压机组逻辑控制程序、模拟量输入输出模块读写、PID调节运算程序和PLC与变频器串行通信程序等。
（一）空压机组逻辑控制程序的设计。在进行控制系统的程序设计时，除了应满足前面“系统的主要控制要求”中各机组启、停的逻辑控制外，在1、2号机组切换时还应满足下述的编程联锁等要求：
1.KAl、KA3不能同时接通；KAl、KA2不能同时接通；KA3、KA4不能同时接通。
2.当变频器运行时，KMl、KM2不允许动作。
3.只有当1号或2号机组启动信号及运行信号到达后变频器方可启动（KAll接通）。
4.1号机组运行时，禁止KM3操作；2号机组运行时，禁止KM4操作。KAl―KA4、KMl、KM2等电器元件在电路中的作用，可参见图3和图5。
下面只给出了1、2号机组变频启动控制部分的程序，如图6所示，其他机组的逻辑控制程序从略。
（二）模拟量输入输出模块读写。PLC基本单元是通过特殊功能模块读、写指令FROM、TO和模拟量输入输出模块FXON―3A中的缓冲存储器（BFM）交互数据的。FROM、TO指令的使用可参见第四章的介绍。FXON―3A缓冲存储器的分配见表l。
【作者简介】周正杰（1973- ），男，广西人，硕士，广西机电职业技术学院讲师，工程师，研究方向：电工技术，电力系统及自动化。
（责编 黎 原）