基于PLC的煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

趙小飛

（中煤第三建設(shè)集團(tuán)安徽礦山機(jī)械裝備有限責(zé)任公司 安徽省宿州市 234000）

基于PLC的煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

趙小飛

（中煤第三建設(shè)集團(tuán)安徽礦山機(jī)械裝備有限責(zé)任公司 安徽省宿州市 234000）

空氣壓縮機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)空壓機(jī)）是一種用來(lái)壓縮氣體提高氣體壓力或輸送氣體的機(jī)械?？諌簷C(jī)的用途很廣，幾乎遍及工農(nóng)業(yè)、國(guó)防、科技、民用等各個(gè)領(lǐng)域?？諝鈮嚎s機(jī)的安全生產(chǎn)保護(hù)對(duì)于煤礦企業(yè)的生產(chǎn)是十分重要的?？删幊炭刂破鳎≒LC）將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，專(zhuān)為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)。本文首先對(duì)PLC進(jìn)行了分析，然后基于PLC的基礎(chǔ)上，對(duì)煤礦空壓機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析。

PLC；煤礦；空氣壓縮機(jī)

1 前言

自20世紀(jì)60年代美國(guó)推出可編程邏輯控制器（PLC）取代傳統(tǒng)的控制裝置后，PLC取得了快速的發(fā)展，得到了更加廣泛的應(yīng)用。而且，PLC功能也在不斷的完善當(dāng)中。隨著信號(hào)處理技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，控制技術(shù)的飛速發(fā)展以及用戶(hù)不斷提高的需求，PLC增加了運(yùn)動(dòng)控制和模擬量的處理等功能。當(dāng)前，PLC已經(jīng)不僅僅是邏輯控制了，在過(guò)程控制，運(yùn)動(dòng)控制等方面也在發(fā)揮著重要地作用。

當(dāng)前，在國(guó)內(nèi)外PLC已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在了石油，鋼鐵，電力，化工，機(jī)械制造，建材，輕紡，汽車(chē)，環(huán)保，文化娛樂(lè)以及交通運(yùn)輸?shù)群芏嘈袠I(yè)。而且，計(jì)算機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)采用了集中監(jiān)測(cè)，集中顯示，集中控制，集中保存，集中管理的系統(tǒng)，結(jié)合了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動(dòng)化技術(shù)，故障診斷技術(shù)，軟件技術(shù)和通訊技術(shù)。廣泛的應(yīng)用在了供暖，化工，供水，機(jī)械以及水處理等很多領(lǐng)域，工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中的作用也越來(lái)越重要了。

我國(guó)可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開(kāi)放開(kāi)始的。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器。接下來(lái)在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴(kuò)大了PLC的應(yīng)用。當(dāng)前，我國(guó)已經(jīng)能夠生產(chǎn)中型和小型的可編程控制器，在我國(guó)PLC的應(yīng)用會(huì)變的越來(lái)越廣泛。

2 空氣壓縮機(jī)及分類(lèi)

空壓機(jī)是使用電動(dòng)機(jī)在壓縮腔的內(nèi)部，把氣體壓縮并使壓縮后的氣體有一定的壓力的一種設(shè)備。是一種基礎(chǔ)的工業(yè)機(jī)械設(shè)備，空氣壓縮機(jī)在機(jī)械制造，冶金，電力，礦山，石化，輕紡，紡織等絕大多數(shù)的工業(yè)類(lèi)別當(dāng)中都有十分普遍的應(yīng)用。其種類(lèi)可以分為螺桿式空壓機(jī)（螺桿式空壓機(jī)又分為單螺桿式空壓機(jī)及雙螺桿式空壓機(jī)）、離心式空壓機(jī)、活塞式空壓機(jī)、滑片式空壓機(jī)、渦旋式空壓機(jī)和旋葉式空壓機(jī)等。

3 在空壓機(jī)中應(yīng)用PLC的意義

在煤礦采煤生產(chǎn)中，空氣壓縮機(jī)主要負(fù)責(zé)向礦井大量的風(fēng)動(dòng)機(jī)械提供動(dòng)力，其工作的可靠性和安全性直接影響著礦山的正常生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。目前大部分空壓機(jī)組存在著控制方式落后、操作不方便的問(wèn)題?？刂苹芈反蠖酁槔^電器控制，控制方式采用就地分散式人工操作，由固定人員24h值守，值守人員根據(jù)井下用風(fēng)量的需求手動(dòng)啟動(dòng)或者停止空壓機(jī)，并且定時(shí)巡檢、記錄運(yùn)行狀況。另外，空壓機(jī)組耗電量很大，其中有相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間是在空載或輕載狀態(tài)下運(yùn)行，導(dǎo)致能耗大、機(jī)器受損嚴(yán)重、運(yùn)行成本較高。因此，PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的應(yīng)用，對(duì)空壓機(jī)組進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)，提高空壓機(jī)組的工作效率，降低能耗，延長(zhǎng)使用壽命，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4 PLC簡(jiǎn)介

4.1 PLC概念

PLC是在繼電器控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的，并逐漸發(fā)展成以微處理器為核心，集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及通訊技術(shù)于一體的一種新型工業(yè)控制裝置。

4.2 PLC基本結(jié)構(gòu)和工作原理

PLC主要是由CPU、電源、存儲(chǔ)器和專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的輸入輸出接口電路等組成。PLC的CPU采用順序邏輯進(jìn)行掃描用戶(hù)的程序運(yùn)行的方式，就是假如一個(gè)邏輯線(xiàn)圈或者輸出線(xiàn)圈被斷開(kāi)或接通，該線(xiàn)圈所有的觸點(diǎn)不會(huì)立刻動(dòng)作，需要等到掃描到這個(gè)觸點(diǎn)的時(shí)候才會(huì)開(kāi)始動(dòng)作。PLC進(jìn)行掃描用戶(hù)的程序所需要的時(shí)間通常都小于100ms，所以，PLC采用的是一種和一般的微型計(jì)算機(jī)不同的運(yùn)行方式。

4.3 掃描技術(shù)

在PLC運(yùn)行之后，工作過(guò)程通常分為了三個(gè)階段，輸入采樣，程序執(zhí)行，輸出刷新這幾個(gè)階段。三個(gè)階段完成后是一個(gè)掃描的周期。在運(yùn)行的時(shí)候，PLC的CPU會(huì)不斷地重復(fù)執(zhí)行以上幾個(gè)階段。

5 基于PLC的煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

5.1 控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)由以下部分組成：變頻器、可編程控制器、電抗器、壓力變送器、接觸器、空氣開(kāi)關(guān)、電流表、電壓表、按鈕、互感器等。PLC由電源、CPU、模擬量輸入、輸出模塊、開(kāi)關(guān)量輸入、輸出模塊等組成。其用來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣部分的控制。包括五部分：起動(dòng)、運(yùn)行、停止、切換、報(bào)警及故障自診斷。報(bào)警及故障自診斷：空壓機(jī)內(nèi)部一般有四個(gè)需要監(jiān)測(cè)的量：冷卻水壓力監(jiān)測(cè)、潤(rùn)滑油監(jiān)測(cè)、機(jī)體溫度監(jiān)測(cè)、儲(chǔ)氣罐壓力監(jiān)測(cè)。

5.2 通信方式

5.2.1 上位機(jī)與PLC的通信

在工控領(lǐng)域中PLC通常作為下位機(jī)使用，工業(yè)計(jì)算機(jī)是上位機(jī)，會(huì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)控空壓機(jī)運(yùn)行的狀況，查看溫度，壓力，電機(jī)電壓，運(yùn)行時(shí)間，輸出功率，電機(jī)電流等實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，并記錄存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)，同時(shí)提供數(shù)據(jù)查詢(xún)以及打印的功能?，F(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備出現(xiàn)故障或者有動(dòng)作的時(shí)候，可以出現(xiàn)提示消息，并且進(jìn)行記錄存儲(chǔ)；遠(yuǎn)程控制如果允許的時(shí)候，值班的工作人員還能夠遠(yuǎn)程對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。遠(yuǎn)程控制方便調(diào)度，而且提高了自動(dòng)化管理的水平，推動(dòng)了煤礦行業(yè)信息化的發(fā)展。其它的元件包括有緊急停止的按鈕，手自動(dòng)的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，報(bào)警器等。在PLC和上位機(jī)之間的通訊中，PLC通過(guò)以太網(wǎng)模塊CP343-1接入工業(yè)以太網(wǎng)，上位機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。選擇接口類(lèi)型為工業(yè)Ethernet，通信速率為100Mbps，設(shè)置PLC和上位機(jī)的IP地址。在煤礦空壓機(jī)組的監(jiān)控系統(tǒng)中，用來(lái)控制空壓機(jī)的PLC系統(tǒng)作為下位機(jī)，與調(diào)度室內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)即上位機(jī)組成一個(gè)小型的工業(yè)以太網(wǎng)，進(jìn)行PLC系統(tǒng)工作狀態(tài)的反饋和對(duì)PLC系統(tǒng)發(fā)送控制信號(hào)。

5.2.2 PLC與變頻器的通信

本系統(tǒng)中PLC對(duì)變頻器的控制是通過(guò)串行通訊的方式實(shí)現(xiàn)的。該過(guò)程可以分為五個(gè)階段：①計(jì)算機(jī)發(fā)出請(qǐng)求；②變頻器的處理等待；③變頻器應(yīng)答；④計(jì)算機(jī)的處理等待；⑤計(jì)算機(jī)應(yīng)答。按照不同通訊的要求完成對(duì)應(yīng)過(guò)程，比如在寫(xiě)變頻器的啟?？刂频臅r(shí)候完成1～3個(gè)過(guò)程；監(jiān)控變頻器的運(yùn)行頻率的時(shí)候完成1～5個(gè)過(guò)程。無(wú)論是讀數(shù)據(jù)還是寫(xiě)數(shù)據(jù)，都由計(jì)算機(jī)來(lái)發(fā)出請(qǐng)求，變頻器只是被動(dòng)接受請(qǐng)求并作出應(yīng)答。

5.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.3.1 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟

PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟有：①按照生產(chǎn)工藝過(guò)程進(jìn)行分析控制的要求。比如操作方式（自動(dòng)，手動(dòng)，單步，單周期，連續(xù)等），需要的完成動(dòng)作（動(dòng)作條件，動(dòng)作時(shí)序，必須的聯(lián)鎖和保護(hù)）；②按照控制的要求確定出需要的用戶(hù)輸出，輸入設(shè)備。來(lái)確定PLC的I/O的點(diǎn)數(shù)；③PLC的選擇；④對(duì)PLC的I/O點(diǎn)進(jìn)行分配，設(shè)計(jì)I/O連接圖。這一步可結(jié)合第2步進(jìn)行；⑤設(shè)計(jì)PLC的程序，同時(shí)還要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工和設(shè)計(jì)控制臺(tái)。

在對(duì)繼電器的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須要在設(shè)計(jì)完控制線(xiàn)路之后，才可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工和設(shè)計(jì)控制臺(tái)?？梢钥闯?，PLC控制能夠縮短工程工期。

5.3.2 PLC的程序設(shè)計(jì)步驟

①如果控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，需要先繪制好系統(tǒng)控制的流程圖，來(lái)清楚表明動(dòng)作條件和順序。如果控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，這個(gè)步驟可以省略；②對(duì)梯形圖進(jìn)行設(shè)計(jì)；③按照梯形圖進(jìn)行程序清單的編制；④使用編程器把程序鍵入PLC用戶(hù)的存儲(chǔ)器當(dāng)中，檢查鍵入程序的正確性；⑤調(diào)試修改程序，直到達(dá)到要求；⑥等控制臺(tái)和現(xiàn)場(chǎng)的施工完成之后，可以聯(lián)機(jī)調(diào)試，如果達(dá)不到要求，再檢查界限或者修改程序，直到達(dá)到要求；⑦編制技術(shù)文件。

5.4 控制系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)中，采用一臺(tái)變頻器控制三臺(tái)空壓機(jī)的電機(jī)運(yùn)行，三臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行都有工頻和變頻兩種不同的狀態(tài)，每臺(tái)電機(jī)都需要通過(guò)兩個(gè)接觸器與工頻電源和變頻的輸出電源連接。變頻器的輸入電源的前邊接入一個(gè)空氣開(kāi)關(guān)用來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻器，電擊的過(guò)載過(guò)流保護(hù)，空氣開(kāi)關(guān)容量要按照電機(jī)額定的電流進(jìn)行確定。還要在工頻的電源下面連接相同的空氣開(kāi)關(guān)用來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)過(guò)載過(guò)流保護(hù)。在PLC的220V輸入電源前也需要接入空氣開(kāi)關(guān)，保證PLC的正常運(yùn)行。所有的接觸器選擇都需要按照電動(dòng)機(jī)容量適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行選擇。

對(duì)于有工頻和變頻兩種不同狀態(tài)電動(dòng)機(jī)，要保證變頻的輸出電源的拖動(dòng)和工頻電源的拖動(dòng)情況下的電機(jī)旋向一致，否則在工頻和變頻切換的過(guò)程當(dāng)中會(huì)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)換電流，致使轉(zhuǎn)換無(wú)法成功。在變頻器起動(dòng)、運(yùn)行和停止操作中，必須用觸摸面板的運(yùn)行和停止鍵來(lái)操作，不得以主電路的通斷來(lái)進(jìn)行。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于PLC的煤礦空壓機(jī)的控制效果對(duì)于煤礦等工業(yè)生產(chǎn)具有重要的影響。通過(guò)對(duì)其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)于升級(jí)，其控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)整體的工作性能較好，軟件的工作性能比較可靠。系統(tǒng)可以很好的對(duì)礦山等一些場(chǎng)所空壓機(jī)組的工作狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)的進(jìn)行檢測(cè)和報(bào)警，而且可以自動(dòng)進(jìn)行保護(hù)?？諝鈮嚎s機(jī)的控制系統(tǒng)升級(jí)改造提升了空氣壓縮機(jī)自動(dòng)控制的水平，對(duì)于礦山的生產(chǎn)效率的提升也具有極為重要的意義。

[1]梁慧斌.西門(mén)子PLC在空壓機(jī)站智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].黑龍江：煤礦機(jī)械，2015（12）.

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A

1004-7344（2016）06-0239-02

2016-2-10