基于PLC的压风机风包温度监控系统的研制

【摘 要】本文采用PLC对矿山空气压缩机风包进行温度监控，取代传统的电器控制手段，获取更高的经济效益和安全性能。

【关键词】可编程控制器；空气压缩机；温度采集；数据传输

空气压缩机是矿山生产重要的四大固定设备之一，空压机的风包是受压容器，《煤矿安全规程》规定：“风包内的温度应保持在120℃以下，并装有超温保护装置，在超温时可自动切断电源和报警。”我矿原来使用的超温报警装置为WMZK-02型温度指示控制仪，经常性发生误报及无温度指示的情况。为提高风包温度监控的可靠性及职能化水平，对风包温度监控系统进行重新改造设计。

1 系统结构

系统由三菱Fx-2N系列PLC、三菱模拟量模块FX2N-4DA、温度采集模块R-8034、开关电源、数字显示电路、指示及显示设定电路、温度传感器热电阻等构成。

系统以PLC作为主控器，通过RS485与温度采集模块R-8033进行通信，把采集到的各风包温度传输到主控器。在PLC内部通过与设定好的上限温度进行比较，进而作出是否超温的判断，以作出是否发出停机的命令。同时设定显示电路把指定的温度显示在数字显示屏上。每天进行实验时可以通过，实验按钮进行风包超温实验。同时本系统留有数据上传接口可通过PLC的RS422接口把温度及报警信息上传上位机。

2 硬件电路设计

2.1 可编程控制器（PLC）的优点

1）编程方法简单易用。

2）功能强，性能价格比高。

3）硬件配套齐全，用户使用方便。

4）无触点免配线，抗干扰能力强。

5）系统的设计、安装、调试量少。

6）维修工作量少，维修方便。

7）体积小，能耗低。

2.2 温度采集模块的应用

R-8033是38路模拟量热电阻输入模块。分辨率为24位，热电阻类型可设定为PT100、Cu50、Cu100，本设计选用PT100。

由于R-8033温度采集模块采用RS-485通讯方式，可远距离通讯，系统所有模块只需要用一条通讯线进行连接，具有高通讯速率，高采样分辨率，智能化、光电隔离、强抗干扰和双看门狗设计，使系统的可靠性增强，数据高速I/O成为可能，软件开发也较为容易。

系统可根据测量的温度点数任意增减模块数量，配置灵活，端子可插拔，采用导轨式安装，施工维护及其方便。

2.3 可编程控制器模拟模块FX2N-4DA

模拟量输出模块（D/A模块）是将PLC处理后的数字信号转换成相应的模拟信号输出，以满足生产过程现场连续控制信号的需求。模拟信号输出接口一般由光电隔离、D/A转换、信号驱动等环节组成。FX2N-4DA是一种4通道模拟量输出模块。在本设计中通过PLC控制FX2N-4DA输出相应的模拟量输出到数字显示电路，以显示相应的温度。

2.4 数字显示电路的设计

基于ICL7107数字电压表的设计的设计，ICL7107是目前广泛应用于数字测量系统是一种集三位半转换器段驱动器位驱动器于一体的大规模集成电路，ICL7107是目前广泛应用于数字测量系统的一种31/2位A/D转换器，能够直接驱动共阳极数字显示器，够成数字电压表，此电路简洁完整，ICL7107是目前广泛应用于数字测量系统是一种集三位半转换器段驱动器、位驱动器于一体的大规模集成电路，主要用于对不同电压的测量和许多工程上的应用，调频接口电路，它采用的是双积分原理完成A/D转换，全部转换电路用CMOS大规模集成电路设计。应用了ICL7107芯片数码管显示器等，芯片第一脚是供电，正确电压时DC5V，连接好电源把所需要测量的物品连接在表的两个端口，可在显示器看到所需要结果。

主要有ICL7107和共阳极半导体数码管LED组成。特点是：能够直接驱动共阳极的LED显示器，不需要外加驱动原件，使整机线路简化；采用+5V和-5V两组电源供电；LED属于电池控制原件，芯片本身功耗较小；显示亮度较高。

3 传感器的选择及安装

3.1 温度传感器选择

铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器，由于其测量准确度高，测量范围大，复现性和稳定性好，被广泛应用于中温（-200℃-650℃）范围的温度测量中。PT100是一种广泛应用的测温元件，在-50℃-600℃范围内具有其他任何传感器无可比拟的优势，包括高精度，稳定性好，抗干扰能力强等。

3.2 温度传感器安装及其位置选择

插入管的内半径是根据所选择的温度传感元件而定的。一般可直接选购-200―600℃的PT100传感器。温度传感器和温度传感器套管通过螺纹连接，接触面通过耐温密封圈密封，安装在风包上预留的压力表位置，从而避免了一切伤害风包的因素。插入管的壁厚与风包的厚壁之比直接影响到可靠性。当插入管厚壁大于或等于容器壁时，在开孔直径相同的情况下，开孔边缘的最大应力与壳体的基本应力之比最小，亦应力集中系数最小。所以，应尽可能选用厚壁较厚的钢管。

4 系统程序设计

4.1 系统控制程序的设计

设计PLC控制系统的一般步骤：

1）根据生产的工艺过程分析控制要求；

2）根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备。据此确定PLC的I/O点数；

3）选择PLC；

4）分配PLC的I/O点，设计I/O连接图。这一步可结合第2步进行；

5）进行PLC程序设计，同时可进行控制台的设计和现场施工。

4.2 系统通信程序设计

PLC通过其RS-485接口与温度采集模块R-8033相连，当R-8033接收到PLC命令后，将其转化为采集模块的操作命令，并将执行的结果打包回传给PLC，作为PLC控制的依据。要实现PLC对R-8033的通讯控制，必须对PLC进行编程；通过程序实现PLC对采集模块数据的采集。PLC程序首先应完成FX2N-485BD通讯适配器的初始化、控制命令字的组合、代码转换和R-8033应答数据的处理工作。R-8033通讯命令结构：

命令格式：（Leading）（Address）（Coommand）（CHK）（cr）

响应格式：（Leading）（Address）（Data）（CHK）（cr）

[CHK]2字符检验

[cr]命令结束符，字符返回（0x0D）

通过在PLC内编制格式的命令程序以实现数据的写入与读出。

5 结语

本设计主要用应用PLC来监控空气压缩机风包温度，实时观测系统的运行状况，以便用户随时了解系统信息。整个系统自动化水平比较高采用PLC控制和数据通讯技术监控大大减少了人力物力，对于温度的变化能很快的做出反应，输出报警，停止空压机运行。

【参考文献】

[1]曹辉.可编程序控制器系统原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2003：49-87.