压力容器试压工作站电气控制设计

刘俊才，姜来举，王春玲

(1.海洋石油工程股份有限公司特种设备公司 天津 300452；2.海洋石油工程股份有限公司设计公司 天津 300452)

1 试压工作站工作的基本构成

压力容器试压工作站是以PLC-变频控制的两台电动机为动力源的离心水泵。由压力信号反馈控制系统、温度传感控制系统、加热装置、压力容器试压工作站的管网系统、各种控制阀门和循环水储水箱等组成。

2 压力容器试压工作站工作原理(见图1)

压力容器试压工作站是由PLC-变频控制的电动机带动离心泵，离心泵的进水口与储水箱相连，出水口与被试压容器的进水口管道相连接，利用液体具有等值传递作用力的原理。当试压泵出口达到某一压力值时，容器也相应地受到了此压力，压力传感器将压力信号反馈给 PLC控制系统，使电动机停止运行，并保压观察1,h。当环境温度低于5,℃时，温度控制系统启动加热装置，并将试压水和管网系统的温度保持在 5,℃以上。环境温度高于5,℃时，加热装置停止运行。

压力容器试压工作完成后，关闭进水阀门、打开排水阀门，启动水泵把试压水抽回循环水储水箱，以备下次使用。

图1 压力容器试压工作站工作原理Fig.1 Working principle of a pressure vessel test station

3 电气控制设计思路

3.1 使用继电器控制的常见问题

为实现控制目的，继电器全部采用机械式的触点和导线连接，其缺点较多，如电气器件种类多，线路复杂，控制动作慢，出现故障后修理困难等。并且，继电器控制装置特别是触点极易损坏(松动、烧蚀、粘连等)，控制线圈易过流烧坏，且继电器控制只能实现即时控制，一旦断电，继电器线圈失电，触点恢复自然状态，不具备记忆存储功能。此外，使用接触器控制交流电动机的启动电流较大，对电动机的冲击较大。

3.2 新型电气控制思路

PLC-变频控制，它能完成逻辑判断、定时、记忆和算术运算等功能。作为电气控制技术中的新技术，从功能和技术方面完全满足压力容器试压工作站的要求。PLC作为替代继电器的新型控制装置，操作简单方便、通用灵活、体积小、使用寿命长、功能强大、容易操作、可靠性高、系统稳定，可以通过弱电控制强电，其核心是微处理芯片，本身具备记忆功能。主要优点为：①PLC内部含有很多用于开关量处理的类似继电器的软元件，可轻松地实现大规模的开关量逻辑控制。PLC可以方便地与各种类型的输入、输出量连接，实现 D/A、A/D 转换及PID运算，实现过程控制、数字控制等功能。②PLC内部含有大量的中间继电器、时间继电器、计数器等编程元件，使用程序(软接线)代替硬接线，减少了大量安装接线工作。设计人员只要将 PLC控制系统进行设计和模拟调试，就可实现逻辑动作控制，且更加快捷方便。③通过 PLC-变频控制节能降耗，降低生产成本，增加经济效益。实现电动机的软启动，启动电流对供电设备无冲击，对电动机无机械冲击。避免了大电流冲击对电动机的影响，从而提高了电动机的稳定性，延长了电动机的寿命。

4 PLC系统的选型

4.1 PLC系统的配置

选用西门子S7-200产品CPU226的PLC，输入点24个，输出点16个，加上1台扩展模拟量模块EM235。这样配置比较合适，也兼顾了以后增加或者扩展控制系统的需要。

4.2 PLC模拟量扩展单元的配置及应用

PLC的普通输入、输出端口均为开关量处理端口，为了使PLC能完成模拟量的处理，常见的方法是为整体式 PLC加配模拟量扩展单元。模拟量扩展单元可以将外部模拟量转换为PLC可处理的数字量及将PLC内部运算结果数字量转换为机外所需的模拟量。模拟量扩展单元有单独用于模/数转换的，单独用于数/模转换的，也有兼具模/数及数/模两种功能的。如用 S7-200系列 PLC的模拟量扩展模块 EM235，它具有四路模拟量输入及一路模拟量输出，可以满足压力容器试压工作站的需要。PLC及扩展模块接线如图2所示。

4.3 变频器的选择

对于泵和风机类的负载，在过载能力方面要求不高，由于负载转矩与速度的平方成正比，又因这类负载对转速的精度没有特殊要求，所以选型时一般以廉价为原则，选择普通功能型通用变频器。

图2 压力容器试压工作站PLC及扩展模块接线Fig.2 PLC and extended module connection in a pressure vessel test station

5 电气控制系统原理图及电路图(见图3、图4)

图3 压力容器试压工作站PLC电气控制原理Fig.3 PLC electric control principle in a pressure vessel test station

图4 变频控制电路图Fig.4 Circuit diagram of frequency converter control

6 PLC的安装及接线

6.1 PLC的安装

PLC一般要求安装在 0～55,℃环境温度，无阳光直射，相对湿度不超过 85%，无油烟、无烟尘、无腐蚀性及可燃性气体的场合，远离振动源、强磁场，可防雨、防潮湿。在封闭的柜中安装还要注意通风散热。

PLC外部要安装紧急停机电路、保护电路。基本单元、扩展单元的＋24,V不能从外部供给电源。输入、输出线不应过长，应为 50,m 左右，这样基本不会产生噪声，为安全起见，配线最好在 30,m 以内。数字脉冲信号频率较高，传输过程易受外界干扰，应选用屏蔽电缆传输。模拟量信号是连续变化的信号，外界的各种干扰都会叠加在模拟信号上，造成干扰，因而应选用屏蔽线或带防护的双绞线。PLC的输入、输出线要与动力线分开，距离在 200,mm 以上，如果不能保证上述距离，可将这部分动力线穿管并将管接地，不可将 PLC的输入、输出线与动力高压线捆绑在一起。应尽量减少动力线与信号线平行敷设的长度，或增大两者的距离，以减少噪声干扰，一般两线间距为 200,mm，当两线长距离平行敷设时，两线间距应在400,mm以上。

6.2 PLC的接线

PLC在工作前必须正确接入控制系统。和PLC连接的主要有 PLC的电源线，输入输出器件的接线、通信线、接地线。PLC电源供电有两种情况，一是使用工频交流电，通过交流输入端子连接，对电压的要求比较宽松，100～250,V均可使用；二是采用外部直流开关电源供电，一般配有直流 24,V输入端子。采用交流供电的 PLC内自带有直流 24,V内部电源为输入器件供电。

输出端的外部线路要有保护措施，以防止输出单元的继电器、晶体管、晶闸管开关元件出现故障，而导致输出开关信号失灵。

6.3 PLC-变频控制系统的抗干扰措施

电源是 PLC-变频控制系统引入干扰的途径之一，PLC应尽可能取用电压波动较小、波形畸变较小的电源，这对于提高PLC的可靠性有很大帮助。在干扰较强或可靠性要求较高的场所，PLC的供电线路应与其他大功率用电设备或强干扰设备(如弧焊机、高频炉)分开。为防止对 PLC-变频系统的干扰，应采取以下措施：①PLC的接地采用专用的接地极，或与其他盘板共用接地系统，但需要配有专用接地线，直接与公共接地极连接，不允许与大功率晶闸管装置和大型电动机之类的设备共用接地系统连接。②PLC的接地极离PLC越近越好，PLC如由多单元组成，各单元之间应采用同一点接地，以保证各单元间等电位。③PLC的输入、输出信号线采用屏蔽电缆时，其屏蔽层应用一点接地，并用靠近PLC这段的电缆接地，电缆的另一端不接地，如果信号随噪声波动，可以连接一个0.3,µF/25,V 的电容器到接地端。④接地线截面积应大于2.5,mm2，接地线一般不超过 20,m，PLC接地系统的接地电阻应小于4,Ω。

6.4 运行前的检查与试验

通电前，应检查电源，接地线，输入、输出接线是否正确。程序检查，新装入程序正式运行之前，应检查写入的程序是否正确，同时利用可编程器检查功能检查电路错误、文法错误。运行试验，在PLC电源为ON时，自诊断功能便发挥作用。如无异常，PLC便进入运行状态。如果有文法或电路错误，故障指示灯闪烁。■

［1］张万忠.可编程控制器入门与应用(西门子 S7-200系列)[M].北京：中国电力出版社，2004.

［2］董原.高级电工实用技术[M].内蒙古：内蒙古人民出版社，2008.

［3］王兆晶.国家职业资格培训教材维修电工[M].北京：机械工业出版社，2009.