基于PLC的船用活塞式空气压缩机控制系统设计.pdf

工业 自 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 4 ． 1 0 ． 0 0 4 基于P L C的船用活塞式空气压缩机控制系统设计 夏 文虎 ，孙 永明 上海海事大学 商船学院，上海 2 0 1 3 0 6 摘要传统的船用活塞式空压机的控制系统，故障多，延迟大，控制不精确，用可编程序逻辑控制器 P L C 对船舶压气机系 统进行控制具有很多优点。给出了压气机控制系统的软件编程 ，并利用P L c 控制灵活方便的优势对辅空压机的启动条件进行优 化 ，使之更适应船 舶实际用气情况的变化 ，更有效率 ，更节 能。 关键词船舶压气机；P L C ；控制系统；软件编程 中图分类号 T P 2 7 3 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 99 4 9 2 2 0 1 41 00 0 1 30 3 The De s i g n o f M a r i ne Pi s t o n Ty pe Ai r Co mpr e s s o r Co nt r o l S y s t e m Ba s e d o n PLC XI A W e n -h u， S UN Yo n g -mi n g T h e Me r c h a n t Ma r i n e C o l l e g e o f S h a n g h a i Ma r i t i me U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 1 3 0 6 ，C h i n a Abs t r a c t Th e t r a d i t i o n a l c o n t r o l s y s t e m o f p i s t o n t y p e a i r c o mp r e s s o r o n s h i p h a s ma n y f a u l t s a n d l o n g - t i me d e l a y s ， a n d t he c o n t r o l i s a l s o n o t p r e c i s e ．H o w e v e r i t h a s ma n y a d v a n t a g e s t o u s e p r o g r a m ma b l e l o g i c c o n t r o l l e r P L C i n t h e c o mp r e s s o r c o n t r o l s y s t e m． I t p r e s e n t s t h e s o f t wa r e pr o g r a mmi n g o f c o mp r e s s o r c o n t r o l s y s t e m． An d wi t h t h e a d v a n t a g e o f PL C wh i c h i s fl e x i b l e a n d c o n v e n i e n t i t g i v e a n o p t i mi z a t i o n t o t h e s t a r t i n g c o n d i t i o n o f a u x i l i a r y a i r c o mpr e s s o r ， wh i c h ma k e s i t mo r e a d a p t e d t o t h e a c t u a l s i t u a t i o n o f s h i p g a s u s i n g ， mo r e e f f i c i e n t a n d mo r e e n e r g y s a v i n g ． Ke y wo r d s ma r i n e a i r c o mp r e s s o r ；PL C； c o n t r o l s y s t e m ； s o f t wa r e pr o g r a mmi n g 0引言 船舶活塞式空气压缩机的主要作用是产生压 缩空气 ，用于柴油机 的启动 、换向以及 主 、辅设 备的 自动控制等u 。压气机的启动和停止在船舶运 行特别是在机动工况 时是较为频繁的 ，在工作时 还要定时放残 ，因而 为实现机舱无人化 ，对压气 机进行 自动控制是十分必要的。但传统的机械控 制手段故障多 ，控制不精确 ，在现场产生 的噪声 大 ，特别是维护管理十分不方便 。而采用 P L C控 制则可靠性高并且使用起来灵活方便，在 自动化 控制领域 中已被各行业广泛采用 。本文用 P L C控 制技术 实现船舶 活塞 式空气压缩机 的 自动控制 ， 控制系统的结构简单 ，使用起来方便可靠 ，并且 利用其控制灵活的特点对辅空压机的启动条件进 行优化 ，在船舶运行 时更精确控制辅空压机 的启 动 ，使之更适应船舶实际用气情况的变化 ，更有 效率 ，更节能。 1 与船舶活塞式空气压缩机 自动控制相关的 工艺要 求 活塞式空气压缩机的 自动控制主要包括五 个环节 压缩机 的 自动起 、停 ； 自动卸载 ；自动 泄放 ；冷 却水 、滑油 的 自动控制 ； 自动安全 保 护。以下是具体说明。 1 ． 1 压缩机启、停的自动控制 空气瓶压力信号来 自压力表对 4 个压力进行 检 测 ，分 别 为 2 ． 4 MP a 、2 ． 5 MP a 、2 ． 9 M P a和 3 ． 0 MP a 优先工作 的空压机起 、停值为 2 ． 5 MP a 和 3 ． 0 MP a ，备用辅 空压机的起 、停值为 2 ． 4 MP a 和2 ．9 M P a ，信号通过开关量输入P L C 进而控制 空压机电机 。对空压机 电机 的控制应实现 当空 收稿 日期 2 0 1 40 42 9 立 墨 釜 羔 工业自 动 化 气瓶的压力下降到2 ． 5 MP a 时优先工作的空压机起 动运行 ，在用气量大的场合空气瓶压力继续下降 到2 ． 4 MP a 时 ，另一台备用空压机将 自动起动投入 工作；当压力上升至2 ．9 M P a 时，备用空压机首先 停 车 ，而优先工 作 的空压机 则要等 到压力 达到 3 ． 0 MP a 时才停车。空气瓶压力低于 2 ． 4 MP a 时启 动是 目前船舶所使用的辅空压机的启动条件 ，但 这样有两点不足 一是船舶在窄水道航行或者进 港等时用气量特别大 ，空气瓶压力在低于 2 ． 5 MP a 时 ，只启动主空压机产气量远不足 ，而要等到空 气瓶继续下 降到 2 ． 4 MP a 时辅空压机才启动运行 ， 反应迟钝 ；二是 当空气瓶 的压力低于到2 ． 4 MP a 这 个点的时候 ，这时船舶大量用气的工作可能已经 停止 ，这时候启动辅空压机则造成浪费 ，并且频 繁启停不利于压气机 的维护保养。这里利用 P L C 控制 的优势对辅空压机 的启动条件进行优化 在 空气瓶压力下降到 2 ． 5 MP a 启动主空压机 的同时 ， 空气瓶出 口处 的流量计监测此时的用气量 ，若用 气量达到设定值时则给 P L C输人一个开关量 ，此 时不用等到空气瓶压力下降到2 ．4 M P a 便直接启动 辅空压机 ；若没有达到设定值 ，说 明此时只凭 主 空压机便可以满足船舶用气 的需求 ，辅空压机不 启动。 1 ． 2 压缩机的自动卸载控制 应注意在压缩机起 、停 的时候应该先卸 载。 对 它的控制应实现在压缩机起动 时能 自动卸载 ， 使 气缸 均处 于空载状 态 ，达到压 缩机 的空载起 动。停车时能先卸载后停车 ，以减少压缩机的震 动和冲击 。P L C输 出一开关量控制外部 电磁阀启 闭来实现压缩机的自动卸载控制。 1 ． 3压缩机的 自动泄放控制 空压机工作时 ，P L C对它的控制应使空气瓶 及 空 压 机 气 液 分 离 器 的 泄 放 电 磁 阀 定 时 1 ． 5～1 5 mi n 泄放 ；停车时除空气瓶泄放 电磁 阀 外 ，其他泄放 阀应保持打开 。 1 ． 4压缩机冷却水的 自动控制和滑油的自动供给 对冷却水的P L C自动控制应保证压缩机启动 时供水电磁阀自动打开供水；停车时供水电磁阀 关闭停止供水。 对滑油 的 自动供 给应使空压机低压缸滴油杯 的供油 电磁阀与压缩机同步工作 高压缸 的润滑 采用飞溅式不用控制 。 1 ． 5自动安全保护 空压机 P L C自动控制装置中应包括温度 、压 力 、油位 等安全保护措施 。其 中包括 ，当压缩机 排气温度或冷却水温度过高时 ， 自动停 车并 发出 声光报警 ；当冷却水压力 或曲轴箱油位低 于设定 值 ，压缩机 自动停车并发出声光报警等。 综上所述 ，本控制系统按照要求在 P L C中编 制用户程序 ，完成以下功能 1 要实现全 自动 起 、停控制 优先空压机和备用空压机在空气瓶 不 同压力值 时 自动起 停 ，保证船舶各种T况时 的 运行需要 ； 2 每台压缩机起动和停止前均要卸 载 ，以保护设备安全运行 ； 3 空压机工作时 ， 定时 自动对空气瓶和空压机气液分离器放残 ，停 车 时空气瓶 泄放 阀关 闭 ，气 液分 离器泄 放 阀打 开 ； 4 在压缩机启 动时供水电磁阀 自动打开供 水 ，停 车时关闭 ，低 压缸滴油杯的供油电磁 阀 自 动打开供油 ，停车时关 闭 ； 5 P L C用户程序还 要能够实现相关的控制处理 ，如 压缩机排气温 度过高、冷却水温度过高故障及冷却水压力或曲 轴箱油位过低故障时停车并给出声光报警。 2 P L C机型 的选择及 l ／ 0的确 定要求 考虑 待设计 的控制 系统满足所要求 的功能 ， 要使用的输人 、输出信号 的种类 以及参数等级和 负载的要求 ，并使得所设计 的系统既成本低又安 全可靠，而且方便维护管理，这是选定机型的基 本原则 。还要特别注意 电压和电流 的问题。在实 际设计 中主要有 以下几个方面的问题要考虑 1 确定 I ／ 0的点数 1 0 ％一1 5 ％留为备用 为 佳 ； 2 用户程序存储器内存容量的确定，确定 方法一般为 数字量 I ／ 0点数 的 1 O～l 5 倍 模拟 I ／ 0点数的 1 0 0倍 ，以此数为 内存 的总字数 1 6位 为一个字 ，另外再按此数的 2 5 ％考虑余量 ； 3 响应 的速度 ； 4 负载的能力及输入和输出的方式 。 3系统 的设计 3 ． 1 系统的硬件设计 根据船舶 活塞式空气压缩机控制系统及 P L C 机型的选择 以及 I ／ 0的确定等要求 ，本文船舶活塞 式 空 气 压 缩 机 控 制 系 统 采 用 日本 三 菱 公 司 的 l一嚣 ≯ I 1 A l 一 l j - r} ■ l L ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． - ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． L J - - - ‘ - - - ‘ - - - - - - - - - - - - 夏文虎 等 基于P L C的船 用活塞式空气压缩机控制 系统设计 工业 自 F X2 6 4 MT P L C，该型号 P L C的运行速度较快 ，而 且功能也很强 ，它 的I ／ O总数为 6 4 点 ，本文对船 舶 空压 机 的设 计 占用 输 人共 1 3 点 还有 l 9点 备 用 ，输出共 1 6 点 备用 1 6 点 。 3 _ 2系统的软件设计 按 照船舶活塞式空气压缩机控制全 自动工作 流程 ，根据 活塞式空气压缩机控制要求 ，如图 1 所示给 出了系统软件设计。 左边分支 ，状态 2 0 置位使 Y1 置位 ，控制外 部 电磁 阀使主压气机卸 载 ；延 时 3 秒后 T 0闭合 ， 状态 2 1 置位使 Y2 置位起动主压气机 、供给冷却 水和供给低压缸滑油 ；延时 1 0 秒后 T 1 闭合 ，状态 2 2 置位使 Yl 复位取消卸载 ，主压气机进人正常 工作状态 ，并通过定时器 T 8 、T 9 控制 Y 5 的接通 断开，使主压气机正常工作时每隔5 分钟进行 l 0 秒放残 ，另外外部输入 x 5 每个输入 只检测一种 上M 8 0 02 回 l A -- X12 ． 5M P a 3 釉 值 一X 3 一 lS． { 城 区 孽 圆 绷 L一 、T0 0一 一 、T4 一T0 一／K30 r i i匝 扁动、供冷却水、供 巨 圃启 黼 琳 、供 l nT 1 低 魇 敷 滑 油 oTK 5l 鼬 - T 1 VK I O 0 一 TS 周鞘躐 广 T 8 0 硼鞘绷 o o 。 _ _{ 一 X 一X4 I S 圈蹴 区l 卸 裁 L 、T 6 ＼ 一 ， ， K 3 0 - T 2 o 。 一 - T 6 r 圆 、 水 、 停 1 _ { 圈 耻、 水 、 傅 L T 3 低压缸滑油 、T 7 低压鳓 一 ／K I O 0 一 ／KI O 0 一 一T 7 一 T3 匡 T 碉取 消 卸 载 叵 圈 取 消 卸 戴 }／、 I， 、 L { Y 7 打 开 除 空 气 瓶 {世 放 阀 L Y 8 打 开 除 空 气 瓶 泄 放 阀 一 Y 8 一外的所有涎放阀 囟 一 X72 ． 6M P a 图 1 软件编程 如图 1 所示 ，当 P L C投入运行 即 R U N开关 接通时 ，M8 0 0 2 接通一个扫描周期 ，状态 s 0 s 0 为 初始状态 置位 。 当空气瓶 压力低 于 2 ． 5 MP a 时，x1 闭合 ，程序进入并行分支。 故障，图1 中为了简洁只画 出 X 5 对 故 障进 行 检 测 ， 当故障发生时 X 5闭合接通 Y 9 ，停 止主压 气机 和发 出 声光 报警 ；当空 气瓶 的压 力达到 3 ． 0 MP a 时 ，X 2 闭合 状态 2 3 置位 ，控制主压气 机卸 载 ；延时 3 秒后 T 2闭 合，状态 2 4 置位，控制主 压 气机停 止 ，并停 止供 给 冷 却水 和低压 缸滑 油 ；延 时 1 0秒 后 T 3闭合 ，状 态 2 5 置位 ，取消卸载并打开 除空气瓶 泄放 阀外 的所 有 泄放阀。 右边 分 支 ，当 流量 计 的流量 大于设 定值 时 ，常 开触点 X 3 闭合状态 3 0 置 位 ，使副压气机卸载 ；延 时3 秒后 T 4 闭合 ，状态 s 3 1 置 位 ，起 动 副压气 机 ，同 时供给冷 却水 和低 压缸 滑 油 ；延 时 1 O秒后 T 5闭合 ， 状态 3 2 置位取消卸载 ，副 压 气机 开始正 常工 作 ，这 时定时器T 1 0 、T 1 1 控制 Y 6 接通断开 ，使副空压机每 隔 5 分 钟进 行一 次 1 0 秒 放 残 ，另外X 6 等还将检测各 种故障，当出现故障时X 6 闭合接通Y 1 0 ，停止副 压气机并发 出声光报警 ；当空气瓶的压力上升到 2 ． 9 M P a 时，状态 3 3 置位使副空压机卸载；延时 3 秒后 T 6闭合 ，状态 3 4 置位停止 副空压机 ，同 霾 下转第 3 7页 张伟 等多轴运动控制卡在微细电火花加工控制 系统中的应用 J j D - r 技术与机 软件 。开发 出来 的系统具有人机交互 、加工模式 选择、运动轴参数实时显示 、紧急停止、间隙电 压实时显示等功能 。由于开发工具 L a b v i e w本身图 形化语言的特点 ，使上位机界面开发和其他功能 集成变得简便 ，从而让整个开发过程更注重控制 方面功能的实现。 4 ． 2下位机控制软件的开发 下位机P C I 一 7 3 5 0 运动控制卡提供的函数库 ， 包含了丰富的运动控制指令和轨迹发生算法 ，为 电火花加工装置的运动控制系统开发提供了方 便 ，对于下位机软件的开发，充分利用了控制卡 的开放性 ，主要包括通用 I ／ O端 口控制模块 、位置 监控模块 。通用 I ／ O端 口控制模块 可以通过设置通 用端 口控制 函数参数 ，选择可用端 口地址 与输入 与输 出电信号电压范围。位置监控模块可 以通过 设置控制卡内部参数实现 ，用于实施提取各轴位 置状态 ，根据各轴上的位置传感器输出信号判断 轴是否达到位置极 限。 5结束语 本文中以P C I 一 7 3 5 0 多轴运动控制卡为核心对 微 细 电火花加工装 置的硬件与软件进 行 了设计 ， 采用 P C工控机 运动控制卡的硬件控制结构 ，利 用 图形 编程语言 L a b v i e w开发 了系统的控制程序 ， 并设计 了 良好的人机交互界面 。以多轴运动卡为 0 一一 ’ 一一 ● 一一 ● 一一 ● 一- ● 一- ● 一 - ’ 一 - 一 - ● 一- ● 一- --卜 一 - -卜 一 - 卜 _ 上接 第 1 5 页 时停冷却水和低压缸滑油 ；延时 1 O 秒后T 7 闭合， 状态 3 5 置位 ，取消卸载并打开 除空气瓶泄放 阀 外 的所有 泄放阀 ，之后状态转移 至 3 6 ；当流量 计 的流量 没有 大于设 定值 时 ，状 态 直接转 移 到 3 6。 至此空气压缩机完成一个周期 的工作 ，空气 瓶的压力达到3 ． 0 MP a ，但随着船舶运行 ，若空气 瓶的压力低于2 ． 6 M P a ，则X 7 闭合状态转移到初 始状态 S 0 ，活塞式空气压缩机预备开始一个新的 工作周期。 4总结 本文用 F X 2 N 一 6 4 MT P L C 设计了船舶活塞式空 气压缩机的控制系统 ，相 比传统 的控制系统 ，可 靠性大大提高 ，并且便于维护管理 。它不仅改善 核心 的微细电火花控制系统具有开发周期短、稳 定性强 、实时能力强等优点 。 参考文献 [ 1 ]X i - Q i n g S u n ，T ． Ma s u z a w a ，M． f u j i n o ． M i c r o u l t r a s o n i c m a c h i n i n g a n d i t s a p p l i c a t i o n s i n ME MS 【 J J． S e n s o r s a n d A c t u a t o r s ，1 9 9 6 5 7 1 5 9 1 6 4 ． [ 2 ]T ． Ma s u z a w a a n d H． K ． T o n s h o f f ． T h r e e d i me n s i o n a l Mi ． c r o m a c h i n i n g b y Ma c h i n e T o o l s l J J．A n n a l s o f t h e C I R P 1 9 9 7 ，4 6 2 6 2 1 6 2 8 ． [ 3 ]Y e o ， S H a n d B a l o n ， S A P ． F a b ri c a t i o n o f mi c r o c y l i n d r i - c a l p a rt s b a s e d o n a n o v e l g r i n d i n g a p p a r a t u s l C j． P r o c e e d i n g s o f t h e I n s t i t u t i o n o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r s ， P a r t B J o u r n a l o f E n g i n e e rin g Ma n u f a c t u r e ， 2 0 0 0， 21 4 2 45 2 49． [ 4 ]朱保国． 脉冲电化学微细加工关键技术研究 [ D]． 哈 尔滨哈尔滨工业大学，2 0 0 7 ． [ 5 ]王昆，朱获，王明环． 微米尺度线电极的电化学腐蚀 法制 备[ J ]． 机 械 科 学与技 术 ，2 0 0 6 ，2 5 9 1 0 7 3 -1 0 7 6 ． [ 6 ]梅 阳寒． 一种微 小孔电火花加工模糊控 制策略研 究 [ J ]． 机电工程，2 0 1 2 9 1 0 6 1 1 0 6 4 ． [ 7 ]耿 春 明． 低 刚度 杆切 向进给 电火花磨 削工 艺及其 刚度 检测的研究 [ D]． 哈尔滨哈尔滨-,3 k 大学，2 0 0 1 ． 第一作者简介 张伟 ，男，1 9 8 6 年生，河南人，硕士研 究生。研究领域微细特种加工。 编辑 向 飞 一 - 卜- ● 一- 卜 - - 一 - - 一- 了轮机管理人员的劳动强度而且降低了现场控制 系统工作时的噪声 ，为船舶无人机舱的发展提供 一 定 的参 考 ，而且优化 了辅 空压机 的启动条件 ， 使船舶用气更加有保障，更加节能。 参 考文献 [ I ]韩厚德 ，孙永明，王党和． 船舶辅机 [ M]． 北京人 民交通 出版社 ，2 0 0 9 ． [ 2 ]程周． 可编程控制器技术与应用 [ M]． 北京电子工 业 出版 社 ．2 0 0 2 ． [ 3 ]万太福 ，唐 贤永． 可编程序控制器及应 用 [ M]． 重 庆 重庆大 学出版社 ．1 9 9 4 ． 第一作者简介夏文虎，男，1 9 9 0 年生，湖北随州人 ，硕 士研究生。研究领域 船舶辅机工程。 编辑 阮毅