某医院液氧泵控制柜的设计

董杰民

（江门市立天机电工程有限公司，广东 江门 529000）

0 引言

PLC（可编程序控制器）是20世纪60年代以来发展迅速、应用广泛的工业自动化控制装置，特别适用于控制做重复且固定动作的设备。PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、外围布线简洁等特点。2010年10月，某医院1台80年代后期生产的重要设备——液氧泵控制柜故障，要求重新设计制造1台相同功能的设备来代替，并提出如下要求：（1）该设备承担着供应全医院所用氧气的重任，所以设计制造时间要短；（2）制造设备所用元器件必须可靠耐用，具有高替换性；（3）设计线路要简洁，当元器件出现故障时，值班电工可以随时更换；（4）3台泵的工作方式：每次运行时投入2台泵工作，1台备用，按投入工作次数计算而自动轮换，即第1次投入1#与2#泵，第2次投入2#与3#泵，第3次投入3#与1#泵，然后复位。

1 工程设计

1.1 设计思路

（1）用储气罐上原有压力表的上下限触点作为PLC输入信号来控制泵的启动与停止；（2）用热保护继电器的动触点作为PLC输入信号，控制程序进入故障处理回路；（3）编写PLC程序实现按压力开关闭合次数来自动轮换的工作方式。

1.2 电路设计

1.2.1 主回路

（1）因泵的功率较小，采用接触器直接启动―停止的工作方式；（2）3台泵各支路独立供电，互相之间不影响运行；（3）3支路输出端串接热保护继电器作过载保护，其动触点接至PLC作故障输入信号；（4）控制柜面板配置电压、电流表，工作状态指示灯等常规配置。

1.2.2 控制回路

（1）自动/手动状态、压力表上下限触点、各泵手动按钮、热保护继电器触点作为PLC各步骤的动作信号，接到PLC输入端供程序控制运算用。（2）PLC输出控制中继、3台泵的配套电磁阀及运行状态指示灯。（3）中继扩展带动接触器合闸（图1）。（4）为解决压力表的上下限触点的窜动问题，用有触点自锁的中继作为隔离元件提供启停泵信号到PLC输入端；出于安全考虑，由压力表至本控制柜的外接回路，用AC24 V安全电压供电。

图1 控制回路示意图

1.3 元器件选择

（1）每台泵功率为5.5 kW，计算出运行电流约10.5 A，乘以1.5倍安全余量为15.7 A，故各支路的热保护继电器动作电流选定12 A，其他电气元件的额定电流可选定20A。（2）核心元件PLC选用日本三菱电气公司生产的FX2N-32MR-001型号产品，其具有16个输入点和16个输出点，继电器输出，可直接带动交、直流负载，使用AC220V电源。（3）查PLC使用手册：继电器输出型PLC，其输出触点可直接带感性负载≤80VA（AC230V）；查CJ20交流接触器说明书：CJ20-25A接触器的起动容量为93.1 VA（AC220V），即CJ20-25A接触器不能直接接到PLC输出端，须加中继作容量扩展。（4）输出回路的中继采用互换性强的HH54P系列小型中继。（5）接触器选用国产质量较好且互换性强的CJ20型。

1.4 PLC程序设计

（1）梯形图是PLC的编程语言，一般用“顺序控制”的编程方式，即在当前步骤用各输入信号触发程序运行计算，达到设定目标后再跳至下一步骤运行或输出控制。（2）应用在Windows上运行的“不在线调试软件”——GX Simulator来编写、测试程序，该软件可以在不连接PLC情况下进行程序的编写，并有模拟PLC运行模式，通过观察X和Y元件的运行状态来确定、调试程序。PLC控制程序主要分为：“3台泵按压力开关闭合次数计算自动轮换工作程序”、2台泵错开启动时间的“主控运行程序”、“故障判断程序”、“故障替换程序”4大部分。另外还有“故障报警程序”和“手动控制程序”。PLC程序流程图如图2所示。

图2 PLC程序流程图

1.4.1 3台泵按压力开关闭合次数计算自动轮换工作程序

程序步骤：状态寄存器S0为ON状态→X2闭合1次→触发1#泵对应的计数器C0为ON状态，同时另外2台泵对应的计数器C1和C2中写入“1”→程序跳至步骤S20运行1#与2#泵→压力上限停机，跳回步骤S0→X2闭合2次→计数器C1为ON状态，同时计数器C2中写入“2”→程序跳至步骤S30运行2#与3#泵→X2闭合3次→计数器C2为ON状态→程序跳至步骤S40运行3#与1#泵（图3）→压力上限停机→跳至S45步骤，清除所有运行状态，延时1 s跳回S0步骤重新运行。

图3 3台泵按压力开关闭合次数计算自动轮换工作程序

1.4.2 主控运行程序

程序步骤：计数器C0为ON状态，跳至S20步骤→启动1#电磁阀与柜面指示灯，同时开始计时10s→时间到跳至S21步骤→保持1#电磁阀，启动1#泵，延时90s（时间内压力够则跳至S24步骤）→时间到仍未够压力，跳至S22步骤→保持1#电磁阀与1#泵，启动2#电磁阀同时开始计时10s→时间到跳至S23步骤→1#与2#电磁阀、1#与2#泵全启，延时2 min（预防压力表坏造成储气罐超压发生爆炸事故）→压力够或时间到跳至S24步骤→先停2#电磁阀与2#泵→延时2 s跳至S25步骤→清除所有运行状态→延时1 s跳至S0步骤，等待启动信号重新选择支路程序运行（只介绍1#与2#泵运行情况，其他支路相同）。

1.4.3 故障判断程序

程序步骤：任一热继动作→程序跳至S50步骤→程序根据计数器C0、C1和C2的当前数值，判断运行哪一支路处理程序（假设C0为ON状态）→启1#与2#泵时，2#泵故障→跳至S52步骤，并启动S67步骤，点亮安装在门口处的报警灯（频闪报警）；若1#泵故障，且2#泵已运行时→跳至S60与S67步骤；若1#泵故障，2#泵未启动时→跳至S30步骤，运行2#与3#泵，并启动S67步骤（只介绍1#与2#泵，其他支路相同）。故障判断程序流程图如图4所示。

图4 故障判断程序流程图

1.4.4 故障替换程序

程序步骤：当跳至S52步骤→1#泵继续工作，同时计时100s→时间内压力够则跳至S55步骤停机，压力未够则跳至S53步骤→保持1#泵，启动3#泵，同时计时2 min→时间内压力够跳至S55，压力未够则跳至S54步骤→强制停3#泵，延时2 s跳至S55步骤→消除所有运行状态，返回S0步骤，重新等待选择支路启动（注：原程序是返回S0步骤，后期修改程序才改为S52）（只介绍1#与2#泵，其他支路相同）。

2 程序测试

程序测试可以在Windows上运行的GX Simulator三菱PLC专业测试软件上进行，该软件在不连接PLC的情况下在电脑上模拟PLC各输入点“X”的ON或OFF状态，在监控观察窗口中显示出PLC输出点“Y”的工作状态（ON状态显黄色），是否与程序设计要求一致。经调试，所编写程序已达到设计目的。再将该程序用三菱FX系列PLC的专用编程软件“FXGP-WIN-C”编译一次，并传送至PLC后对已装配完毕的整机进行全面检验，至此整个工程的设计制造阶段已经完成。

3 使用情况跟踪

该控制柜于2010年10月安装使用，一直处于正常运行状态。2012年5月因医院扩建，原设备搬迁到新址安装后发现2#泵的轴承损坏，电工把2#泵断电后，程序出现混乱情况。

经观察发现是故障替换程序的最后返回语句有问题：压力上限停机后又跳回S0步骤，这等于没有将故障泵排除于运行之外，将该步骤改为跳至故障替换程序的第1步来进行循环操作，即：原1#与2#泵运行→当2#泵故障→程序跳至S52开始→运行1#与3#泵→压力上限停机→压力低再触发→跳回S52步骤循环，从而将2#故障泵排除于运行之外。修改程序后设备运行正常。

4 结语

选用PLC来做较复杂的控制电路是最合适的，PLC与继电器电路相比具有非常明显的优势：外围元器件大量减少，触头接触不良造成的故障率也大大减少；使用寿命长，只要注意带负载不超过其规定值，平均无故障时间可达数万小时以上；装配控制柜时可与编写、测试程序同时进行操作，装配完毕后再将程序输入PLC，大大缩短制造时间；后期维修更改时无需改动线路，只需修改程序，即可达到用户要求。

［1］岳庆来.变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用技术.机械工业出版社，2006

［2］FX2N系列微型可编程序控制器使用手册

［3］日本三菱电气公司.FX系列PLC产品使用手册