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基于PLC的空气压缩机控制系统设计
作者：郭峻嘉
来源：《农村经济与科技》2016年第18期
[摘 要]空气压缩机是压缩空气的一种设备，在生活生产的各个环节中都被广泛应用，因此空压机的合理、高效、节能的使用对于工业生产等的作用至关重要。本文的设计使用西门子可编程控制器进行编程及控制，用LABVIEW软件设计出上位机并进行监控。PLC需要接收传感器的压力信号以及对空压机或变频器进行相关的控制，利用LABVIEW软件监控压力及各个空压机的工作状态。整个设计系统结构比较简单，性能相当稳定，价格低廉，适合推广到工业生产中。
[关键词]PLC;空压机组;LABVIEW;恒压控制 [中图分类号]TP273 [文献标识码]A
随着计算机和自动化技术的飞速发展，许多行业和领域都接轨网络化和自动控制化，引进了计算机自动检测与控制技术。在煤矿中尤为明显，当然在许多有风动机械的工厂或企业，根据自身企业的发展前景和工作性质的需要，都离不开空气压缩机。空气压缩机在整个工业生产中起着至关重要的作用，为工业的发展起着中流砥柱的作用。
目前，国外开发研究的空气压缩机组监控系统已经比较成熟，某些知名企业根据用户的不同研发出适合专用和普通用户的监控系统软件。
我国空气压缩机的发展起步较晚，即使发展迅速，但在市场上的占有额仍然较小，在中高端产品中处于劣势，技术力量也相对较薄弱，企业在空间分布上呈现规模小、分散的特点，且同质化严重。目前，世界上资源逐渐减少，原材料价格上涨，导致生产成本不断上涨，再加上市场竞争日益激烈、市场需求也逐渐缩减，造成企业利润空间萎缩，给企业的运营带来了巨大的压力。
1 恒压供气系统方案设计
系统要求使用4台空气压缩机进行供气;其中3台空压机使用启停控制;1台空压机由变频器提供变频电源;上位机能够监测管道压力，1-3号空压机的启停，4号空压机的转速。 我们可以把管道压力做为控制对象，压力变送器将管道压力送给PLC的模拟输入口，与设定值进行比较，按程序设计产生控制信号并送给相应的空气压缩机或变频器，从而使空气压力近似等于设定压力，控制原理图如图1。 图1 控制原理图
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设计是采用4台压缩机为控制对象，3台空压机的电动机直接与电源相连，1台空压机通过变频器与电源连接。当压力增大时，首先通过变频器调节4号空压机减小输出，以满足气压需求;当变频器调整输出不能满足需求时，则根据需求关闭一台空压机，然后再次调整变频器输出以达到压力需求;直至关闭全部1、2、3号空压机，仅由4号空压机供气。当压力减小时，首先通过变频器调节4号空压机增加输出，以满足气压需求;当变频器调整输出不能满足需求时，则根据需求增开一台空压机，然后再次调整变频器输出以达到压力需求;直至启动全部1、2、3、4号空压机。 2 硬件系统设计
系统是由计算机、电源及开关、西门子PLC、变频器、继电器、接触器、空气压缩机组、通讯连接线、压力传感器、输气管道等硬件组成。具体连接方式如图2所示： 图2 硬件设计图
设计选用西门子S7-200 224型PLC。PLC接线图如图3，PLC I/O点的分配见表1所示。 3 软件系统设计
启动PLC，设置设定变量、采集数据（采集模拟量，存入内存VW20）、粗调、微调四大模块;设置通讯参数格式，并进行通讯发送。
设定变量模块：在设定变量模块里设置需要的管道气压值，存入内存VD10。
采集数据模块：对电压模拟量进行采集，判断该数值是否为有效值，若为有效值，则需要转化为相应的气压值，存入内存VD20。
粗调模块：将存入内存VD10里的气压设定值与空压机组的档位进行比较匹配，选择并粗略确定打开几台空气压缩机。
微调模块：将内存VD20里的采集值与空压机组的档位进行比较后作差，把差值存入内存VD30，然后把差值转化成电压模拟量，并最终传送给内存AQW0，做好把数据发送给上位机的准备。
图3 PLC接线图 表1 PLC I/O点分配 触点 控制名称及代符 I0.0 启动按钮K1
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I0.1 关闭按钮K2 Q0.0 启动继电器1 Q0.1 启动继电器2 Q0.2 启动继电器3 Q0.3 启动继电器4 Q0.4 运行状态指示灯 A+ A- 气压传感器 M0 V0 变频器
系统控制流程图如图4所示。
接通电源，闭合开关，启动PLC，通过在PLC内设定的通讯协议采集由压力传感器传来的气压信号，与在PLC程序内预先设定的气压值进行比较判断。当管道里的气压与设定值相等时，空气压缩机组的输出不变，通过PLC程序里设定的传输协议上传给上位机，并在上位机界面上显示出来。当管道里的气压比PLC里的设定值小时，先通过粗调模块进行选档，即当预先设定的气压值大于等于3200千帕小于6400千帕时，4号空压机接通运行，给管道输送压缩空气;当预先设定的气压值大于等于6400千帕小于9600千帕时，4号和1号空压机接通运行，给管道输送压缩空气;当预先设定的气压值大于等于9600千帕小于12800千帕时，4号、1号和2号空压机接通运行，给管道输送压缩空气;当预先设定的气压值大于等于12800千帕时，4号、1号、2号和3号空压机接通运行，给管道输送压缩空气;把上述四种输出情况通过PLC程序里设定的传输协议上传给上位机。然后通过微调模块对变频器进行调频，即通过调节与频率相对应的4号空压机的转速来实现，具体方法是：让采集来的气压值与所选档位对应的气压范围的下限值作差，再将差值（气压信号）转化为相对应的电压信号，通过PLC程序里设计的传输协议传给上位机，在上位机里设置运算，使转速表显示出相对应的转速，完成通讯。
图4 控制流程图 4 总结
本文是基于PLC的空压机组运行的控制系统设计，通过分析空压机工作原理及现场需求，加上PLC技术、变频技术设计，从而实现了空压机计算机监控系统设计。完成了空压机组恒压供气监控系统设计，实现了空压机组的恒压供气。实验发现，该系统基本可以实现空压