基于PLC的船用活塞式空氣壓縮機控制系統(tǒng)設(shè)計

夏文虎，孫永明

（上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海 201306）

基于PLC的船用活塞式空氣壓縮機控制系統(tǒng)設(shè)計

夏文虎，孫永明

（上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海 201306）

傳統(tǒng)的船用活塞式空壓機的控制系統(tǒng)，故障多，延遲大，控制不精確，用可編程序邏輯控制器（PLC）對船舶壓氣機系統(tǒng)進行控制具有很多優(yōu)點。給出了壓氣機控制系統(tǒng)的軟件編程，并利用PLC控制靈活方便的優(yōu)勢對輔空壓機的啟動條件進行優(yōu)化，使之更適應(yīng)船舶實際用氣情況的變化，更有效率，更節(jié)能。

船舶壓氣機；PLC；控制系統(tǒng)；軟件編程

0 引言

船舶活塞式空氣壓縮機的主要作用是產(chǎn)生壓縮空氣，用于柴油機的啟動、換向以及主、輔設(shè)備的自動控制等[1]。壓氣機的啟動和停止在船舶運行特別是在機動工況時是較為頻繁的，在工作時還要定時放殘，因而為實現(xiàn)機艙無人化，對壓氣機進行自動控制是十分必要的。但傳統(tǒng)的機械控制手段故障多，控制不精確，在現(xiàn)場產(chǎn)生的噪聲大，特別是維護管理十分不方便。而采用PLC控制則可靠性高并且使用起來靈活方便，在自動化控制領(lǐng)域中已被各行業(yè)廣泛采用[2]。本文用PLC控制技術(shù)實現(xiàn)船舶活塞式空氣壓縮機的自動控制，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，使用起來方便可靠，并且利用其控制靈活的特點對輔空壓機的啟動條件進行優(yōu)化，在船舶運行時更精確控制輔空壓機的啟動，使之更適應(yīng)船舶實際用氣情況的變化，更有效率，更節(jié)能。

1 與船舶活塞式空氣壓縮機自動控制相關(guān)的工藝要求

活塞式空氣壓縮機的自動控制主要包括五個環(huán)節(jié)：壓縮機的自動起、停；自動卸載；自動泄放；冷卻水、滑油的自動控制；自動安全保護。以下是具體說明。

1.1 壓縮機啟、停的自動控制

空氣瓶壓力信號來自壓力表對4個壓力進行檢測，分別為：2.4 MPa、2.5 MPa、2.9 MPa和3.0 MPa（優(yōu)先工作的空壓機起、停值為2.5 MPa和3.0 MPa，備用輔空壓機的起、停值為2.4 MPa和2.9 MPa），信號通過開關(guān)量輸入PLC進而控制空壓機電機。對空壓機電機的控制應(yīng)實現(xiàn)：當(dāng)空氣瓶的壓力下降到2.5 MPa時優(yōu)先工作的空壓機起動運行，在用氣量大的場合空氣瓶壓力繼續(xù)下降到2.4 MPa時，另一臺備用空壓機將自動起動投入工作；當(dāng)壓力上升至2.9 MPa時，備用空壓機首先停車，而優(yōu)先工作的空壓機則要等到壓力達到3.0 MPa時才停車?？諝馄繅毫Φ陀?.4 MPa時啟動是目前船舶所使用的輔空壓機的啟動條件，但這樣有兩點不足：一是船舶在窄水道航行或者進港等時用氣量特別大，空氣瓶壓力在低于2.5 MPa時，只啟動主空壓機產(chǎn)氣量遠不足，而要等到空氣瓶繼續(xù)下降到2.4 MPa時輔空壓機才啟動運行，反應(yīng)遲鈍；二是當(dāng)空氣瓶的壓力低于到2.4 MPa這個點的時候，這時船舶大量用氣的工作可能已經(jīng)停止，這時候啟動輔空壓機則造成浪費，并且頻繁啟停不利于壓氣機的維護保養(yǎng)。這里利用PLC控制的優(yōu)勢對輔空壓機的啟動條件進行優(yōu)化：在空氣瓶壓力下降到2.5 MPa啟動主空壓機的同時，空氣瓶出口處的流量計監(jiān)測此時的用氣量，若用氣量達到設(shè)定值時則給PLC輸入一個開關(guān)量，此時不用等到空氣瓶壓力下降到2.4 MPa便直接啟動輔空壓機；若沒有達到設(shè)定值，說明此時只憑主空壓機便可以滿足船舶用氣的需求，輔空壓機不啟動。

1.2 壓縮機的自動卸載控制

應(yīng)注意在壓縮機起、停的時候應(yīng)該先卸載。對它的控制應(yīng)實現(xiàn)在壓縮機起動時能自動卸載，使氣缸均處于空載狀態(tài)，達到壓縮機的空載起動。停車時能先卸載后停車，以減少壓縮機的震動和沖擊。PLC輸出一開關(guān)量控制外部電磁閥啟閉來實現(xiàn)壓縮機的自動卸載控制。

1.3 壓縮機的自動泄放控制

空壓機工作時，PLC對它的控制應(yīng)使空氣瓶及空壓機氣液分離器的泄放電磁閥定時（1.5～15 min）泄放；停車時除空氣瓶泄放電磁閥外，其他泄放閥應(yīng)保持打開。

1.4 壓縮機冷卻水的自動控制和滑油的自動供給

對冷卻水的PLC自動控制應(yīng)保證壓縮機啟動時供水電磁閥自動打開供水；停車時供水電磁閥關(guān)閉停止供水。

對滑油的自動供給應(yīng)使空壓機低壓缸滴油杯的供油電磁閥與壓縮機同步工作（高壓缸的潤滑采用飛濺式不用控制）。

1.5 自動安全保護

空壓機PLC自動控制裝置中應(yīng)包括溫度、壓力、油位等安全保護措施。其中包括，當(dāng)壓縮機排氣溫度或冷卻水溫度過高時，自動停車并發(fā)出聲光報警；當(dāng)冷卻水壓力或曲軸箱油位低于設(shè)定值，壓縮機自動停車并發(fā)出聲光報警等。

綜上所述，本控制系統(tǒng)按照要求在PLC中編制用戶程序，完成以下功能：（1）要實現(xiàn)全自動起、?？刂疲簝?yōu)先空壓機和備用空壓機在空氣瓶不同壓力值時自動起停，保證船舶各種工況時的運行需要；（2）每臺壓縮機起動和停止前均要卸載，以保護設(shè)備安全運行；（3）空壓機工作時，定時自動對空氣瓶和空壓機氣液分離器放殘，停車時空氣瓶泄放閥關(guān)閉，氣液分離器泄放閥打開；（4）在壓縮機啟動時供水電磁閥自動打開供水，停車時關(guān)閉，低壓缸滴油杯的供油電磁閥自動打開供油，停車時關(guān)閉；（5）PLC用戶程序還要能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)的控制處理，如：壓縮機排氣溫度過高、冷卻水溫度過高故障及冷卻水壓力或曲軸箱油位過低故障時停車并給出聲光報警。

2 PLC機型的選擇及I/O的確定要求

考慮待設(shè)計的控制系統(tǒng)滿足所要求的功能，要使用的輸入、輸出信號的種類以及參數(shù)等級和負載的要求，并使得所設(shè)計的系統(tǒng)既成本低又安全可靠，而且方便維護管理，這是選定機型的基本原則。還要特別注意電壓和電流的問題。在實際設(shè)計中主要有以下幾個方面的問題要考慮[3]：

（1）確定I/O的點數(shù)（10%～15%留為備用為佳）；

（2）用戶程序存儲器內(nèi)存容量的確定，確定方法一般為：數(shù)字量I/O點數(shù)的10～15倍+模擬I/ O點數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字數(shù)（16位為一個字），另外再按此數(shù)的25%考慮余量；

（3）響應(yīng)的速度；

（4）負載的能力及輸入和輸出的方式。

3 系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

根據(jù)船舶活塞式空氣壓縮機控制系統(tǒng)及PLC機型的選擇以及I/O的確定等要求，本文船舶活塞式空氣壓縮機控制系統(tǒng)采用日本三菱公司的FX2-64MT PLC，該型號PLC的運行速度較快，而且功能也很強，它的I/O總數(shù)為64點，本文對船舶空壓機的設(shè)計占用輸入共13點(還有19點備用)，輸出共16點(備用16點)。

3.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

按照船舶活塞式空氣壓縮機控制全自動工作流程，根據(jù)活塞式空氣壓縮機控制要求，如圖1所示給出了系統(tǒng)軟件設(shè)計。

圖1 軟件編程

如圖1所示，當(dāng)PLC投入運行（即RUN開關(guān)接通時），M8002接通一個掃描周期，狀態(tài)S0（S0為初始狀態(tài)）置位。當(dāng)空氣瓶壓力低于2.5 MPa時，X1閉合，程序進入并行分支。

左邊分支，狀態(tài)S20置位使Y1置位，控制外部電磁閥使主壓氣機卸載；延時3秒后T0閉合，狀態(tài)S21置位使Y2置位起動主壓氣機、供給冷卻水和供給低壓缸滑油；延時10秒后T1閉合，狀態(tài)S22置位使Y1復(fù)位取消卸載，主壓氣機進入正常工作狀態(tài)，并通過定時器T8、T9控制Y5的接通斷開，使主壓氣機正常工作時每隔5分鐘進行10秒放殘，另外外部輸入X5（每個輸入只檢測一種故障，圖1中為了簡潔只畫出X5）對故障進行檢測，當(dāng)故障發(fā)生時X5閉合接通Y9，停止主壓氣機和發(fā)出聲光報警；當(dāng)空氣瓶的壓力達到3.0 MPa時，X2閉合狀態(tài)S23置位，控制主壓氣機卸載；延時3秒后T2閉合，狀態(tài)S24置位，控制主壓氣機停止，并停止供給冷卻水和低壓缸滑油；延時10秒后T3閉合，狀態(tài)S25置位，取消卸載并打開除空氣瓶泄放閥外的所有泄放閥。

右邊分支，當(dāng)流量計的流量大于設(shè)定值時，常開觸點X3閉合狀態(tài)S30置位，使副壓氣機卸載；延時3秒后T4閉合，狀態(tài)S31置位，起動副壓氣機，同時供給冷卻水和低壓缸滑油；延時10秒后T5閉合，狀態(tài)S32置位取消卸載，副壓氣機開始正常工作，這時定時器T10、T11控制Y6接通斷開，使副空壓機每隔5分鐘進行一次10秒放殘，另外X6等還將檢測各種故障，當(dāng)出現(xiàn)故障時X6閉合接通Y10，停止副壓氣機并發(fā)出聲光報警；當(dāng)空氣瓶的壓力上升到2.9 MPa時，狀態(tài)S33置位使副空壓機卸載；延時3秒后T6閉合，狀態(tài)S34置位停止副空壓機，同時停冷卻水和低壓缸滑油；延時10秒后T7閉合，狀態(tài)S35置位，取消卸載并打開除空氣瓶泄放閥外的所有泄放閥，之后狀態(tài)轉(zhuǎn)移至S36；當(dāng)流量計的流量沒有大于設(shè)定值時，狀態(tài)直接轉(zhuǎn)移到S36。

至此空氣壓縮機完成一個周期的工作，空氣瓶的壓力達到3.0 MPa，但隨著船舶運行，若空氣瓶的壓力低于2.6 MPa，則X7閉合狀態(tài)轉(zhuǎn)移到初始狀態(tài)S0，活塞式空氣壓縮機預(yù)備開始一個新的工作周期。

4 總結(jié)

本文用FX2N-64MT PLC設(shè)計了船舶活塞式空氣壓縮機的控制系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，可靠性大大提高，并且便于維護管理。它不僅改善了輪機管理人員的勞動強度而且降低了現(xiàn)場控制系統(tǒng)工作時的噪聲，為船舶無人機艙的發(fā)展提供一定的參考，而且優(yōu)化了輔空壓機的啟動條件，使船舶用氣更加有保障，更加節(jié)能。

［1］韓厚德，孫永明，王黨和.船舶輔機［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［2］程周.可編程控制器技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

［3］萬太福，唐賢永.可編程序控制器及應(yīng)用［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，1994.

The Design of Marine Piston Type Air Compressor Control System Based on PLC

XIA Wen-hu，SUN Yong-ming
（The Merchant Marine College of Shanghai Maritime University，Shanghai201306，China）

The traditional control system of piston type air compressor on ship has many faults and long-time delays，and the control is also not precise.However it has many advantages to use programmable logic controller（PLC）in the compressor control system.It presents the software programming of compressor control system.And with the advantage of PLC which is flexible and convenient it give an optimization to the starting condition of auxiliary air compressor，which makes it more adapted to the actual situation of ship gas using，more efficient and more energy-saving.

marine air compressor；PLC；control system；software programming

TP273

：A

：1009－9492(2014)10－0013－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.10.004

夏文虎，男，1990年生，湖北隨州人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：船舶輔機工程。

(編輯：阮 毅)

2014－04－29