基于ＰＬＣ的船用４０ＭＰａ高压空压机控制系统设计.docx

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1、一、引言高压空压机是舰船重要的辅助设备，产品的质量直接影响到舰船的供气保障。随着海军装备的快速发展，4OMPa高压气源需求日趋增大，对舰船用高压空压机提出了越来越高的要求，体积小、重量轻、噪声低、振动小、可靠性高已成为空压机技术发展的主趋势二。传统的空压机控制方法自动化程度低，操作维护人员的工作量大，对空压机的寿命有很大的影响二。为满足新造及改换装高压空气系统供气需求，设计一套安全可靠的控制系统，保证高压空压机组性能稳定可靠，具有现实意义。本设计应用西门子S7-200系列P1C和TD400C文本显示界面，通过软启动器启动空压机，采集处理温度、压力等数字量、模拟量信号，通过RJ45以太网通信接口

2、上传至远程监控台，实现空压机各种保护、报警、监控功能，同时利用文本显示器实现监控界面与P1C之间的数据共享，实现更好的人机交互，保证空压机稳定可靠，全面提升装备的充气保障能力二。二、船用高压空压机控制功能自主研发的某船用4OMPa高压空压机由空压机主机、干燥装置、冷却水泵、污水收集装置、浮筏隔振装置和控制箱等组成，其作用是提供高压气源。该机组采用立式星型结构、一体化设计，结构紧凑、振动低、噪声小，性能稳定可靠。其控制箱集中了排气温度过高、滑油压力过低、冷却水压力过低、滑油温度过高、电机和控制系统出现短路或过载时自动停机报警；控制箱配置文本显示器，机组油压、水温、水压、末级排气压力传感器采集模拟

3、信号，由模拟量模块转化为数字信号，实时显示并监测；具有远程/就地、手动/自动控制，油污定时自动泄放以及机组启动、停机时自动泄荷等功能，同时又与冷却水泵、干燥装置、舱室风机等连锁控制，具有自动状况下开机先启动水泵，停机时延时停水泵功能；空压机组启动与本舱通风风机启动器连锁控制（满足如下工况：正常情况下，先启动风机，再启动空压机组，若风机未启动，空压机组不启动；运行过程中，风机意外停机，空压机组报警、停机；特殊情况下，风机未启动，需空压机组启动时，空压机组可手动强制启动）；具有滑油预热功能，油温低于5,无法正常启动机组，需手动开启滑油加热器，油温超过20,自动停止加热，应急工况下，可手动强制启动机

4、组；油加热与空压机具有互锁功能，空压机运行时，机组无法进行油温加热；油温加热时，机组无法正常开机。三、船用高压空压机控制系统设计3.1主电路设计主电路的控制对象是电动机，针对电动机有电流显示、电流电压过载、短路等保护，以及电动机的启动和停止控制。该高压空压机电机功率90kW,额定工作电流200A,因船上供电变压器容量有限，需采用降压启动方式，以减小启动冲击电流对电网的冲击。常用的降压启动有转子串电阻、自耦变压器、频敏变阻器、星三角降压、软启动和变频器启动等方法。而空压机启动常用的方法是星三角降压、变频器和软启动。该船用4OMPa高压空压机额定工作电流200A,启动电流要求1000A,控制箱外形

5、尺寸（长X宽X高）550mm460mm750mm（含底板、隔振器，壁挂安装），其启动电流和外形尺寸都十分受限。星三角降压启动的启动电流是运行电流的57倍，无法满足启动电流的要求；变频器虽然可以平滑的启动，但外形尺寸过大，价格昂贵，尤其是变频器内有交流逆变和整流装置，无法满足CE1O1sCE102电源线传导发射和REIO1、RE102磁场、电场辐射发射等电磁兼容要求；软启动器刚好填补了星三角降压和变频器在功能实用性和价格之间的鸿沟，在市场上得到广泛应用4。因此，综合以上各种启动方式优缺点，选用施耐德ATS48C17Q软启动器启动电机，通过设定软启动器上的R3继电器为电动机过载热报警，保护电动机。

6、其电路图如图1所不O111213图1主电路图软启动器只在启动过程中工作，启动结束后退出运行，通过软启动器上的R2继电器输出切换到旁路接触器KM2后，软启动的可控硅停止工作，但软启动的互感器还在工作，保护功能依旧在。3.2控制电路设计该高压空压机需要控制的参数较多，若采用传统的继电器控制，硬件电路很多，尺寸不允许，安装接线工作量大，后期检修不方便，且参数显示功能无法实现，因此本控制系统采用S7200P1C、TD400C文本显示器、模拟量模块和RJ45通讯模块。其硬件结构框图如图2所示。根据空压机实际工作过程编制了输入、输出点的地址，其主要地址编号见表1。控制系统通过采集水温、水压、油压、末级排气

7、压力传感器模拟信号，由模拟量模块转化为数字信号，通过TD4OOe文本显示器实时监测并显示，并可以对报警值、排污时间进行参数设置，减少了柜内计时器、中间继电器、时间继电器等元器件的数量，通过对文本显示器的功能按键进行定义，减少控制箱面板操作按钮数量、P1C的输入、输出信号数量，提高了空间利用率，满足了控制箱的外形尺寸要求。操作界面友好，操作管理方便，操作人员可以查看空压机的实时数据，故障报警信息，避免了定时巡检记录的繁琐工作，大大提高了工作效率和管理水平。3.3软件程序设计控制系统具有手动、自动两种控制方式，控制空压机等设备的起动和停止。具有润滑油加热，启、停机自动泄放、卸荷，运行中定时排污；对

8、排气压力、排气温度、油温、油压、冷却水压力以及电机负载进行监控，实现自动报警和保护停机。根据空压机组的控制要求，各设备间的起停控制顺序，绘制了启动运行控制流程图如图3所示。考虑空压机曲轴箱和电机均采用水冷方式，程序设计时，开机先通水，检测水压达到后空压机方正常开机；停机延时断水，以保证机组充分冷却，自动状况下水泵与空压机一键联锁启动。各设备联锁启动P1C梯形图如图4所示。空压机启动前先检测水压，水压未达到报警；空压机启动后建立油压需要一定时间，因此设计T46定时器延时1OS监测油压是否建立；空压机正常运行过程中，水压、油压可能由于船只的倾斜摇摆等因素存在一定的扰动，为避免频繁的误报警导致空压机

9、停机，对水压报警信号设计T49定时器延时处理，对油压报警信号设计T46定时器延时处理若水压或油压持续1OS低于报警值，自动报警并停机，检查油、水管路是否堵塞。油压、水压故障报警P1C梯形图如图5所示四、结语该4OMPa空压机采用立式星型结构、一体化设计，结构紧凑、振动低、噪声小，通过了1200h可靠性试验、环境适应性与电磁兼容性试验。整个试验过程中，机组运行平稳、无任何故障。机组的研制成功，突破了传统空压机的卧式结构设计理念，各项性能和功能指标达到了国内领先水平，促进了空压机行业的技术进步。配套的控制系统采用可编程控制器，体积小，功能完善，操作简便，投入运行来性能一直稳定可靠，故障率低，维修量小，自动化程度高，大大减轻了运行和维护人员的工作量，极具推广价值。