基于HMI的空气压缩机控制系统设计

郭改琴

（杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100）

空气压缩机是一种用于压缩气体的设备，简称空压机，主要用在电力、化纤、轻工、冶金等行业。在电力行业空压机主要用在仪表、除灰和水处理系统中，在水电站主要用在动力设备上。

空压机常采用常规继电器的控制方式，结构简单、造价低廉，在电力行业中得到了广泛的应用。但这种控制方式的缺点也很多，首先，控制方式单一，启动和停止只能在现场进行；其次，空压机在运行时的转速、电压、电流、功率等运行实时参数和状态，都必须到现场测试后才能获得；最后，在操作时，因为一次侧电压高、电流大，直接启动和停止、在二次侧抄录数据时都存在一定的安全隐患[1]。

空压机在启动时，先要打开冷却水系统，让电机在空载状态下运行一段时间后自动切换到负载运行状态，在切换的同时要关闭无负荷电磁启动阀，等到压力达到设定要求时，空压机自动停止的同时打开无负荷电磁启动阀，关闭冷却水电磁阀。因用气压力要求，空压机需要频繁的启动和停止，这样不但造成设备损耗过大、寿命减少、而且降低了空压机的工作效率。对于大型的空压机控制系统，还会配置备用空压机，防止工作空压机损坏或系统压力急剧下降时，多台空压机能同时启动，当空压机工作异常时还要有报警功能。如此复杂的控制过程如果采用常规继电器控制，需要的设备很多，控制回路复杂、运行还不可靠[2]。PLC 控制技术的出现，能很好的解决以上问题，接线简单，可靠性高；配套齐全、功能完善、实用性强；系统的设计简单，维护方便，容易改造；体积小、重量轻；能耗低易学易用，深受工程技术人员的欢迎[3]。

触摸屏即人机界面（简称HMI）经过了近半个世纪的发展，因其有操作直观、富有趣味性，不易误碰，耐用度高，工作可靠等优点，在工业和商业中已普遍使用。用人机界面HMI 通过PLC 控制现场设备，可以达到良好的效果。

一、系统总体设计方案

本项目设计一套中型容量水电厂的压缩空气系统，因为用气量较大，该系统安装了两台螺杆空压机，一台作为正常工作使用，另外一台作为紧急紧急情况使用[8]，由于空压机电机的功率比较大，启动电流会造成供电线路瞬时的电压下降影响其他设备正常运行，因此该空压机启动时先是采用星型接法，电机每个绕组上所加的电压是220V，经过10s的延时后转换成三角形接法，此时每个绕组上所加电压是380V，电机启动时的电流是额定电流的1/3，启动力矩也只有全压启动力矩的1/3[5]。

在运行过程中该系统应该具备以下功能：在空压机的启动和停止过程中，自动关闭或者打开无负荷电磁阀，对于水冷式空压机，还需自动打开和关闭冷却水泵；当储气罐的压力下降到低气压时，工作空压机自动启动；当用气量增大或者管道漏气时，工作空压机启动后，储气罐的压力不升高反而降低，当气压下降到过低气压时，备用空压机自动启动，并发出报警信号；当储气罐的压力上升到额定气压值时，两台空压机自动同时停止运行；当压力过高或空压机出口温度过高时发出报警信号[6]。

用昆仑通态的人机界面（HMI）发出主控信号，可编程控制器三菱FX3U系列PLC作为控制器控制主回路设备[7]。人机界面包括启动、停止和急停按钮，启动、停止和急停信号灯，无负荷电磁阀、冷却水电磁阀启动和停止信号灯，备用空压机启动报警信号灯，系统气压过高报警信号灯。系统总体设计方案如图1所示。

二、主回路设计

根据本项目的运行要求,设计的系统主回路如图2中的（a）所示。当空气开关QF 闭合后，若交流接触器的主触头KM和KMY同时闭合，则电动机在低速工况下运行；若KM 和KM△同时闭合，则电动机在高速工况下运行[8]。在空气开关下方装设熔断器FU，在主触点KM 的下方装设热继电器FR。主电路的设备清单如表1所示。

表1 主电路设备清单

三、控制回路设计

控制回路设置了按钮控制和HMI 控制两种方式。共包含时间继电器切换Y-△降压启动控制回路、PLC 控制回路设计、PLC 程序编写、HMI 组态设计、HMI 与PLC 连接和调试运行共6 各方面的设计[9]。

（一）时间继电器切换Y-△降压启动控制回路

时间继电器切换Y-△降压启动控制回路如图2中的（b）所示。工作原理如下：合上空气开关QF后，按下启动按钮SB1，时间继电器KT 和交流接触器KMY（星型运行线圈）的线圈同时吸合带电，KMY常闭触点断开闭锁KM△回路；KMY常开触点闭合使KM 线圈得电吸合，KM 常开触点闭合自锁；时间继电器计时的同时，KM 和KMY 的主触点闭合，电动机实现星型连接降压启动，HL1 和HL2 同时点亮；当时间继电器计时达到设定的时长，KT的延时断开触点打开，KMY 的线圈失电，KMY 常开触点断开，HL2 熄灭；KMY 常闭触点闭合，使KM△线圈得电，HL3 点亮，其主触点闭合实现三角形方式运行；KM△的常闭触点断开，防止了误操作按下启动按钮造成短路事故。按下停止按钮SB2，接触器KM和KM△的线圈失电，触点复位，电动机停止运转，HL3熄灭。

（二）PLC控制回路设计

根据空压机的运行要求，选用三菱FX3u-32M（R）控制模块,系统设置手动和自动控制两种模式，自动运行时通过压力传感控制系统启与停。

在两个输入端L 和N 之间接220V 交流电源，采用漏型接法要把24V 和S/S 短接。启动SB1 接X0，停止SB2 接X1,急停SB3 接X2，热继电器常闭触点接X4，四个输入信号的另一端接公共端OV。

PLC 的外部输入端子如果接按钮的常开触点，当PLC 上电后，对应端子内部的线圈和24V 电源不能形成回路，程序里的常开触点就是断开状态，程序里的常闭触点就是闭合状态；如果把连接常开触点的按钮按下，则对应端子内部的线圈和24V 电源就形成了回路，程序里的常开触点变为闭合状态，常闭触点变为断开状态。PLC 的外部输入端子如果接按钮的常闭触点，当PLC 上电后，对应端子内部的线圈和24V 电源就形成回路，程序里的常开触点变为闭合状态，程序里的常闭触点变为断开状态；如果把连接常闭触点的按钮按下，则对应端子内部的线圈和24V 电源不能形成回路，程序里的常开触点变为断开状态，程序里的常闭触点变为闭合状态。所以PLC 的外部接线时，启动和停止按钮都接常开触点，程序里的启动和停止按钮分别接常开和常闭触点；急停按钮外部接线时接常闭触点，程序里的对应触点就接常开触点。

PLC 的输出端接220V 交流电源，共有14 个输出端子，其中包含1个时间继电器，3个交流接触器和11个指示灯。Y1输出端子连接的星型启动交流接触器（KMY）下方串联KM△常闭触点，Y2输出端子连接的三角形运转交流接触器（KM△）下方串联KMY常闭触点，实现星型和三角形运转时的互锁功能，星型方式运转10S 后自动切换为三角形运转。停止状态接红色指示灯，运行状态接绿色指示灯，急停接黄色指示灯，热继电器动作、备用空压机启动、系统气压过高都接黄色指示灯。PLC 的外部接线图如图2（c）所示。

（三）PLC程序编写

用三菱GX Works2 软件编写的部分程序截图如图3所示。用输出Y1 来驱动1#空压机运行指示灯；用输出Y2来驱动2#空压机运行指示灯；用常开触点X2 驱动急停信号灯Y10；用电机过载X4 驱动电机过载报警信号Y15；用X3常闭触点复位报警信号；用气压高时的X5 驱动系统气压高报警信号。程序的I/O分配表如表2所示。

表2 PLC控制空压机的I/O分配表

当系统气压低或者手动启动空压机，空压机电机在星型状态下运行，冷却水电磁阀要打开，10 秒后转为三角形运行方式，无负荷电磁启动阀关闭。当系统气压达到设定值时空压机停止运行，冷却水电磁阀关闭，无负荷电气阀打开。当负载过高时，热继电器动作，发出电机过载报警信号，人工复位信号后继续运行。

（四）HMI设计

HMI 是Human Machine Interface 的缩写，简称人机界面。它是用户和系统之间进行信息交换的桥梁，实现信息内部形式与人类可以接受形式之间的转换。本方案选用型号为昆仑通态（MCGS）的TPC7062Ti触摸屏，设计的组态画面如图4所示。

该人机界面主要包括启动按钮、停止按钮、急停按钮、报警复位按钮，空压机低速运行指示、高速运行指示、1#空压机启动信号灯HL1、1#空压机停止信号灯HL2、2#空压机启动信号灯HL3、2#空压机停止信号灯HL4、急停信号灯HL5、无负荷电磁阀启动信号灯HL6、无负荷电磁阀关闭信号灯HL7、冷却水电磁阀启动信号灯HL8、冷却水电磁阀关闭信号灯HL9、热继电器动作信号灯HL10、系统气压过高报警信号灯HL11。按下启动按钮后空压机先是星形连接低速运转，达到设定时间后自动切换为三角形连接运转。当气压达到压力上限时空压机自动停止，当压力超过上限压力时，在触摸屏上发出压力过高报警信号。直接按下停止按钮，空压机停止运行；空压机运行过程中按下急停按钮，两台空压机停止运行，当按下报警复位按钮后，空压机继续运行；当系统压力超过压力上限时，发出压力过高报警信号，按下复位按钮后报警解除。触摸屏界面上的两个电机图标里的指示灯也会随着电机的运行状态不同而发生变化。

（五）HMI与PLC的连接

要使用触摸屏通过PLC控制电动机，首先必须把电脑里设计的组态界面上传到触摸屏里，通常采取网线的方式传输，参数设置可分为三个步骤。首先在“我的电脑”里查找电脑的IP 地址（例如192.168.1.10）。其次设置触摸屏的IP 地址，给触摸屏通电后，用手指快速单击触摸屏，在弹出的界面里点击“系统维护”，再点击“设置系统参数”，在对应的地址栏输入触摸屏的IP 地址（例如192.168.1.9）。最后把电脑里设计好的界面传到触摸屏里，先下载工程并进入运行环境，选连接方式（ICP/IP 网络），目标机名输入地址：192.168.1.9，点击通讯测试，工程下载，然后启动运行即可。

触摸屏里的启动、停止、急停、报警复位四个按钮在PLC 程序里分别用M0、M1、M2、M3 表示，并联在程序相应按钮两端。

（六）调试运行

1.用RS485通讯线把编写好的PLC程序下载到三菱FX3U-32M(R)模块里，用一根普通网线把组态界面下载到触摸屏里，用一根RS485通讯线把触摸屏和PLC模块连接在一起。

2.先给PLC 程序里下载一个空程序，逐个测试PLC 外部接线是否正确。然后再把编写好的程序下载到PLC里，分别按下启动按钮、停止按钮、急停按钮和复位按钮，查看空压机是否按照要求动作，按下热继电器上可按可拉的手动测试按钮，查看是否有报警信号，按下复位按钮，查看报警是否解除。

3.按下触摸屏上四个输入按钮，查看PLC 的外部输出和空压机是否按照设计要求动作。

空压机工作过程比较复杂。通过对系统总体方案设计、PLC模块外部接线图的设计、PLC程序的编写、组态界面的设计、HMI和PLC连接时地址的设定和设备的运行调试，实现了对空压机系统的升级改造。经过反复的调试运行，HMI操作简单、发出的信号稳定、空压机运行正常、安全可靠，达到了预期的设计要求，具有较强的使用价值。