基于CAN總線的空壓機(jī)組電氣自動控制系統(tǒng)設(shè)計

唐一鶴

（常德市第一人民醫(yī)院，湖南常德 415000）

0 引言

空壓機(jī)是用來壓縮氣體的一種裝置。由于工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，空氣壓縮機(jī)在多個領(lǐng)域和行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，并成為一些行業(yè)不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備[1]?？諝鈮嚎s機(jī)一旦運行不穩(wěn)定或出現(xiàn)故障，將直接影響到企業(yè)的生產(chǎn)過程，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。在企業(yè)生產(chǎn)自動化水平不斷提高的今天，需要一個穩(wěn)定、可靠、有效、合理的控制系統(tǒng)，對空壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控、控制、故障診斷、維護(hù)，有效保障空壓機(jī)安全運行，為企業(yè)生產(chǎn)提供優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定的動力，在一定程度上節(jié)省能源，降低企業(yè)生產(chǎn)成本[2]。采用CAN總線對空壓機(jī)組電氣自動控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，以提高空壓機(jī)組電氣自動控制的效果。

1 空壓機(jī)組電氣自動控制硬件系統(tǒng)設(shè)計

1.1 PLC控制器

系統(tǒng)以歐姆龍公司內(nèi)置60個I/O接線端子的CPM2A-60CDR PLC為核心，具有運算精度高，響應(yīng)速度快，輸入輸出點豐富，支持模擬量輸入、輸出，易于擴(kuò)展I/O點，并可利用串行接口和上位機(jī)進(jìn)行通信[3]?？諝鈮嚎s機(jī)起動、停止的邏輯控制，以及給水泵、揚泵、冷水塔和儲氣罐的排污等功能。

1.2 變頻器

選用90/110 kW配接電機(jī)，178 A、6440-2UD38-8FA0、MM440、380 VAC、三相PID調(diào)節(jié)器、西門子變頻器和制動裝置MM440-9000/3a。西門子MM440變頻器主要用于異步旋轉(zhuǎn)電機(jī)，MM440變頻器主要分為V/f控制和矢量控制兩大類。一個單獨的電壓設(shè)定值的V/f工作方式可在MM440變頻器中實現(xiàn)。采用此工作方式，變頻器輸出頻率和電壓不再捆綁，可分別設(shè)置，使變頻器能在輸出頻率不變的情況下，接收PLC發(fā)出的電壓控制信號，并自動調(diào)整其電壓輸出值。

1.3 CAN總線控制芯片

選用SJA1000作為CAN總線的控制芯片，SJA1000是一種基于I/O系統(tǒng)的單片機(jī)。在電路中，SJA1000是一個總線接口芯片。CAN控制模塊主要包括界面管理邏輯、發(fā)送與接收緩沖區(qū)、接收濾波、位時序邏輯和故障管理邏輯。

2 空壓機(jī)組電氣自動控制系統(tǒng)軟件功能設(shè)計

2.1 自動采集空壓機(jī)組運行數(shù)據(jù)

圖1為空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)。根據(jù)圖1可以得出空壓機(jī)的基本工作模式與流程，利用PLC工控機(jī)實時采集空壓機(jī)的工作參數(shù)，并以此作為電氣自動控制的初始數(shù)據(jù)。

圖1 空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

2.2 CAN報文的發(fā)送和接收

在CAN總線中，MAC子層采用了CSMA/CA非破壞性總線仲裁協(xié)議機(jī)制。這個仲裁協(xié)議有兩層含義：第一，具有最小標(biāo)識符值的信息幀具有最高優(yōu)先級，顯性位將覆蓋隱性位，其結(jié)果就是在總線上顯示顯性位，其他位可以繼續(xù)發(fā)送，而不會損壞；第二，CAN協(xié)議只能解決對已發(fā)生沖突的優(yōu)先級選擇，只有其中的一個才能完整地發(fā)送，而其他已退出發(fā)送的信息幀則不能保證下次成功發(fā)送。

2.3 計算空壓機(jī)排氣量與氣罐容積

由于空壓機(jī)機(jī)組裝有冷卻器，額定壓力為0.9 MPa，充氣后溫度上升約2～5℃，因此按等溫?zé)岢錃庥嬎?，空壓機(jī)的初始壓力取為大氣壓0.1 MPa。在已知儲氣罐容積的情況下，可按式（1）計算空壓機(jī)排氣量：

式中，t為充氣時間，Vg為儲氣罐容量，Px1和Tx1分別為吸氣的壓力和溫度，而Pg1、Pg2和Tg1、Tg2分別為充氣開始時和終止時儲氣罐內(nèi)空氣壓力和溫度。根據(jù)空壓機(jī)排氣量與氣罐容積的計算結(jié)果，確定空壓機(jī)組電氣的自動控制量。

2.4 實現(xiàn)空壓機(jī)組電氣自動控制

在CAN總線環(huán)境下，結(jié)合空壓機(jī)組的電氣運行原理和控制量計算結(jié)果，分別從電氣速度、啟動、停止等多個方面，實現(xiàn)空壓機(jī)組電氣自動控制。

空氣壓縮機(jī)的同步轉(zhuǎn)速由空氣壓縮機(jī)的磁極數(shù)和供電頻率決定。當(dāng)用Ns表示轉(zhuǎn)速時，則有Ns=。

其中，參數(shù)η為空壓機(jī)組的磁極個數(shù)，f為電源頻率。若將同步轉(zhuǎn)速Ns為基準(zhǔn)，空壓機(jī)的轉(zhuǎn)差率S=。

其中，N和Ns分別為空壓機(jī)組轉(zhuǎn)速和同步轉(zhuǎn)速，S為轉(zhuǎn)差率。由此可以看出，在參數(shù)f、s中任意一個參數(shù)都可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，就是異步電機(jī)的調(diào)速控制目的。所以，如果有一臺能隨意改變頻率的電源，就可以對電機(jī)進(jìn)行速度控制。

空氣壓縮機(jī)以自動方式完全由啟動/停機(jī)按鈕控制，空壓機(jī)在停機(jī)狀態(tài)下，根據(jù)備用選擇邏輯順序及相應(yīng)的聯(lián)動定值進(jìn)行自動停機(jī)控制。CAN總線也可用于控制空氣壓縮機(jī)的程序自動移除、備用位置自動選擇、人工選擇和備用移除。

3 系統(tǒng)測試

為了測試設(shè)計的基于CAN總線的空壓機(jī)組電氣自動控制系統(tǒng)的控制效果，設(shè)計系統(tǒng)測試實驗，并通過與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的對比，體現(xiàn)出設(shè)計控制系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢。在該測試環(huán)境下將設(shè)計的控制系統(tǒng)對應(yīng)的程序代碼導(dǎo)入到實驗環(huán)境中，得出主控制運行界面。

為了形成實驗對比，利用本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)和文獻(xiàn)[3]中系統(tǒng)優(yōu)化改造結(jié)果作為實驗的兩個對比系統(tǒng)，以相同的方式導(dǎo)入到系統(tǒng)測試環(huán)境中。從空壓機(jī)組轉(zhuǎn)速方面得出反映控制誤差的測試結(jié)果，如表1所示。

表1 空壓機(jī)組電氣自動控制系統(tǒng)控制誤差測試結(jié)果 r/min

從表1可以看出，相比于兩個對比控制系統(tǒng)，在設(shè)計的控制系統(tǒng)下，空壓機(jī)組的實際轉(zhuǎn)速值更加接近設(shè)置的轉(zhuǎn)速值，即控制誤差更小，控制效果更優(yōu)。

4 結(jié)束語

充分利用CAN總線的特點，降低了傳輸開銷。將CAN總線應(yīng)用到空壓機(jī)組電氣自動控制系統(tǒng)中，間接地提升系統(tǒng)的抗干擾能力，并從硬件和軟件兩個方面保證控制系統(tǒng)運行的可靠性，從而保證空壓機(jī)組的運行效率。