制氧机PLC控制系统的设计和组态仿真

胡峻硕 董海兵 曾德宝 王秋燕

摘 要：变压吸附制氧是指采用沸石分子作为吸附剂，利用加压吸附、降压解吸的原理来获取氧气。在一定压力下，空气的氧、氮在分子筛空隙中具有不同的扩散速率，人们可以利用这一现象达到分离空气的目的。本文研究了采用变压吸附方法制备高纯氧的制氧机工艺，并对其自动控制系统进行设计。通过分析自动控制系统的控制逻辑可知，制氧机可以通过西门子公司的可編程逻辑控制器S7300来控制多个阀门，以实现循环制氧。本文对控制系统进行硬件和软件设计，并通过编程软件STEP7的PLCSIM仿真模块与组态软件WINCC6.0进行离线模拟仿真和组态监控。实践证明，该控制方案良好，能达到实际要求。

关键词：制氧机;可编程逻辑控制器;PLCSIM;WINCC6.0;仿真;监控

中图分类号：TF345.05 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）09-0018-03

Abstract： Pressure swing adsorption oxygen production refers to the use of zeolite molecules as adsorbents， using the principle of pressure adsorption and decompression desorption to obtain oxygen. Under a certain pressure， the oxygen and nitrogen of the air have different diffusion rates in the molecular sieve voids， people can use this phenomenon to achieve the purpose of separating air. In this paper， the technology of oxygen generator for preparing high-purity oxygen by pressure swing adsorption method was studied， and its automatic control system was designed. By analyzing the control logic of the automatic control system， it can be known that the oxygen generator can control multiple valves through the programmable logic controller S7300 of SIEMENS to realize circulating oxygen. This paper carried on the hardware and software design to the control system， and carried on off-line simulation simulation and configuration monitoring through the PLCSIM simulation module of the programming software STEP7 and the configuration software WINCC6.0. Practice has proved that the control scheme is good and can meet actual requirements.

Keywords： oxygen machine;PLC;PLCSIM;WINCC6.0;simulation;monitoring

自发明以来，变压吸附分离技术被广泛地应用于气体混合物的分离精制，比如，其在制氧机控制系统中就有大量应用。变压吸附制氧系统是以沸石分子筛为吸附剂，利用加压吸附、降压解吸的原理从空气中吸附和释放氧气，从而分离出氧气的自动化设备[1]。沸石分子筛是一种经过特殊的孔型处理工艺加工而成且表面和内部布满微孔的球形颗粒状吸附剂，呈白色。其孔型特性使其能够实现氧、氮的动力学分离。沸石分子筛对氧、氮的分离作用是基于这两种气体的动力学直径的微小差别，氮分子在沸石分子筛的微孔中有较快的扩散速率，氧分子扩散速率较慢。压缩空气中的水和二氧化碳的扩散同氮相差不大，最终从吸附塔富集出来的是氧分子。变压吸附制氧正是利用沸石分子筛的选择吸附特性，根据加压吸附、减压解吸的循环周期，使压缩空气交替进入吸附塔来实现空气分离，从而连续产出高纯度的产品——氧气[2]。

1 制氧机的控制过程

变压吸附制氧机正是根据变压吸附原理，采用高品质的沸石分子筛作为吸附剂，在一定的压力下，从空气中制取氧气[3-4]。一般在制氧机系统中设置两个吸附塔，一个塔吸附产氧，另一个塔脱附再生，通过PLC程序控制器控制气动阀的启闭，使两塔交替循环，以实现连续生产高品质氧气的目的[5]。整套系统由以下部件组成：压缩空气净化组件、空气储罐、氧氮分离装置和氧气缓冲罐。

制氧机的工作过程为：启动空压机，使空气通过一级过滤器后进入冷干机，去除气体水分，降低气体温度;当冷干机出气温度小于设定值时，使气体进入二级过滤器，经过两次过滤后进入气柜;当气柜压力达到设定值时，气体进入A塔、B塔中进行变压吸附，使空气中的氮气等杂质被塔中的分子筛吸附，分离出纯净的氧气[6]。

在制氧机工作过程中，冷干机的进气压力、出气温度以及气柜压力是重要的控制参数。为防止冷干机空载烧毁线圈，只有在进气压力达到设定值时才能启动冷干机。在工作过程中，若冷干机出气温度过高，则需要进行停机处理。为使A塔、B塔内的分子筛吸附效果好，必须使气柜压力达到设定值。

2 制氧机控制系统模型

本文根据制氧机的控制过程，建立数学模型。控制对象是AB吸附塔的8个气动阀。控制方式是采用5组电磁阀。电磁阀分别与仪表空气和气动管道阀执行气缸连接，电磁阀换向，仪表空气进入汽缸，使气动阀动作。

控制方案如下：吸附器分A、B两个，切换操作，AB塔简图如图1所示。F1～F8为8个气动阀，由图2可以看出气动阀与控制其工作的电磁阀的对应关系。电磁阀1导通工作，气动阀F1、F2动作，B塔开始吸附制氧，制氧时间为[T1];同时要求电磁阀4导通，气动阀F6动作，A塔排出废气，排气时间为[T2]（[T2]<[T1]）;[T2]时间到时，电磁阀5导通，气动阀F7、F8动作，A塔与B塔进入调节平衡状态，平衡时间为[T3]。制氧时间、排气时间、平衡时间的关系为[T1]=[T2]+[T3]。

注：T1为制氧时间，T2为排气时间，T3为平衡时间。

由此可知，由于[T1]与[T2]同时定时，因此[T1]与[T3]同时停止定时。此时，A塔、B塔进行交换。电磁阀2导通工作，气动阀F3、F4动作，A塔开始吸附制氧，制氧时间为[T1];同时要求电磁阀3导通，气动阀F5动作，B塔排出废气，排气时间为[T2];[T2]时间到时，电磁阀5导通，气动阀F7、F8动作，A塔与B塔进入调节平衡状态，平衡时间为[T3]。如此连续交替运行，电磁阀控制时序如图2所示。

3 制氧机控制系统的实现

制氧机控制系统硬件主要由220 V电源、S7-300 PLC、系统上位机和电磁阀等模块组成，系统的主控制器是S7-300 PLC，可通过串口与上位机通信，可直接用于驱动电磁阀、接触器、小型电动机、灯和电动机启动器等。因此，系统不需要额外添加电磁阀驱动电路。

设定制氧时间[T1]为20 s，排气时间[T2]为10 s，平衡时间[T3]为10 s。为编写系统控制程序，人们要根据系统控制需要，分配I/O点及元器件，并在西门子S7-300系统上进行实物连接，在STEP 7V5.3里进行程序设计。PLC线路连接如图3所示，用灯泡模拟电磁阀的通断。

根据系统控制需要，分配I/O点及元器件，如表1所示。

4 制氧機监控系统仿真分析

S7-PLCSIM是西门子公司开发的可编程控制器模拟软件，它在STEP7集成状态下实现无硬件模拟，也可以与WinCC flexible一同集成于STEP7环境，实现上位机监控模拟。因此，在没有实物装置的条件下，可用PLCSIM进行离线仿真调试，首先进入下位机STEP 7软件中，点击图标，进入仿真界面，如图4所示。

将硬件组态和程序设计完成以后，设置好通信接口，通过STEP7管理器[7]界面将程序下载到CPU中，进行实物调试运行或者PLCSIM离线仿真。在上位机组态监控软件WINCC[8]环境里，经过工程建立、驱动连接、变量定义、画面组态和变量关联等过程后，可得到制氧机控制系统的上位机组态监控图，如图4所示。

系统调试时，把控制程序下载到S7-300 PLC CPU中，使监控程序处于运行状态，然后在组态好的画面上点击择“激活”，使得组态画面也进入运行状态，监控系统开始运行。系统运行过程中，结果记录显示、实物与组态画面是一一对应的，控制效果良好，如图5所示。

5 结论

本文以制氧机的5组电磁阀为研究对象，在原理分析的基础上，建立了制氧机控制系统的数学模型，结合制氧机的特点，研究了制氧机在PLC及组态软件控制下的运行特点，即采用基于PLC的主控制系统对变压吸附过程进行控制。该控制系统具有操作灵活、可靠性高、通用性好和环境适应能力强等优点。制氧机控制系统利用组态软件开发，能够实时地监控时间和电磁阀通断的变化，系统界面友好，操作方便。对系统进行的离线仿真和实物模拟调试满足了现场监测的需要，达到了预期目的。

参考文献：

[1]罗干，黄成嵩，陈昊.基于单片机控制的家用智能制氧机系统研究[J].科技创新导报，2020（2）：69.

[2]李磊.基于PLC的医用制氧机多机联动控制[J].电子技术与软件工程，2015（20）：162.

[3]周正，左光群.医用制氧机群智能控制系统设计与实现[J].电子技术与软件工程，2019（17）：118.

[4]王峰，周静.制氧机膨胀机控制系统PLC改造[J].冶金动力，2013（11）：64-66.

[5]刘志猛，陈平，詹宁波，等.便携式变压吸附制氧机控制系统设计[J].医疗卫生装备，2019（3）：23-25.

[6]徐作宇.制氧机用大功率电机控制系统改造设计和应用[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2019：12.

[7]刘凡.基于PLC全自动灌装机传送带控制系统设计分析[J].机电工程技术，2017（7）：46-54.

[8]王宏，刘茜，杨志成.基于PLC技术的VPSA制氧机控制系统的设计[J].仪表技术，2017（5）：36-38.