基于PLC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 201306）

基于PLC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 201306）

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（PLC）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PLC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。

船舶压气机；PLC；控制系统；软件编程

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[1]。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PLC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[2]。本文用PLC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 MPa、2.5 MPa、2.9 MPa和3.0 MPa（优先工作的空压机起、停值为2.5 MPa和3.0 MPa，备用辅空压机的起、停值为2.4 MPa和2.9 MPa），信号通过开关量输入PLC进而控制空压机电机。对空压机电机的控制应实现：当空气瓶的压力下降到2.5 MPa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 MPa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 MPa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 MPa时才停车。空气瓶压力低于2.4 MPa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 MPa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 MPa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 MPa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PLC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 MPa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PLC输入一个开关量，此时不用等到空气瓶压力下降到2.4 MPa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。PLC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，PLC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（1.5～15 min）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PLC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PLC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PLC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，保证船舶各种工况时的运行需要；（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）PLC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 PLC机型的选择及I/O的确定要求

考虑待设计的控制系统满足所要求的功能，要使用的输入、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[3]：

（1）确定I/O的点数（10%～15%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/O点数的10～15倍+模拟I/ O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%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PLC机型的选择以及I/O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FX2-64MT PLC，该型号PLC的运行速度较快，而且功能也很强，它的I/O总数为64点，本文对船舶空压机的设计占用输入共13点(还有19点备用)，输出共16点(备用16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。

图1 软件编程

如图1所示，当PLC投入运行（即RUN开关接通时），M8002接通一个扫描周期，状态S0（S0为初始状态）置位。当空气瓶压力低于2.5 MPa时，X1闭合，程序进入并行分支。

左边分支，状态S20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T0闭合，状态S21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10秒后T1闭合，状态S22置位使Y1复位取消卸载，主压气机进入正常工作状态，并通过定时器T8、T9控制Y5的接通断开，使主压气机正常工作时每隔5分钟进行10秒放残，另外外部输入X5（每个输入只检测一种故障，图1中为了简洁只画出X5）对故障进行检测，当故障发生时X5闭合接通Y9，停止主压气机和发出声光报警；当空气瓶的压力达到3.0 MPa时，X2闭合状态S23置位，控制主压气机卸载；延时3秒后T2闭合，状态S24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10秒后T3闭合，状态S25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X3闭合状态S30置位，使副压气机卸载；延时3秒后T4闭合，状态S31置位，起动副压气机，同时供给冷却水和低压缸滑油；延时10秒后T5闭合，状态S32置位取消卸载，副压气机开始正常工作，这时定时器T10、T11控制Y6接通断开，使副空压机每隔5分钟进行一次10秒放残，另外X6等还将检测各种故障，当出现故障时X6闭合接通Y10，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 MPa时，状态S33置位使副空压机卸载；延时3秒后T6闭合，状态S34置位停止副空压机，同时停冷却水和低压缸滑油；延时10秒后T7闭合，状态S35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S36；当流量计的流量没有大于设定值时，状态直接转移到S36。

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 MPa，但随着船舶运行，若空气瓶的压力低于2.6 MPa，则X7闭合状态转移到初始状态S0，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FX2N-64MT PLC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。

［1］韩厚德，孙永明，王党和.船舶辅机［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［2］程周.可编程控制器技术与应用［M］.北京：电子工业出版社，2002.

［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，1994.

The Design of Marine Piston Type Air Compressor Control System Based on PLC

XIA Wen-hu，SUN Yong-ming
（The Merchant Marine College of Shanghai Maritime University，Shanghai201306，China）

The traditional control system of piston type air compressor on ship has many faults and long-time delays，and the control is also not precise.However it has many advantages to use programmable logic controller（PLC）in the compressor control system.It presents the software programming of compressor control system.And with the advantage of PLC which is flexible and convenient it give an optimization to the starting condition of auxiliary air compressor，which makes it more adapted to the actual situation of ship gas using，more efficient and more energy-saving.

marine air compressor；PLC；control system；software programming

TP273

：A

：1009－9492(2014)10－0013－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.10.004

夏文虎，男，1990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)

2014－04－29