基于CAN总线的空压机组电气自动控制系统设计

唐一鹤

（常德市第一人民医院，湖南常德 415000）

0 引言

空压机是用来压缩气体的一种装置。由于工业生产技术的发展，空气压缩机在多个领域和行业中得到了广泛的应用，并成为一些行业不可或缺的关键设备[1]。空气压缩机一旦运行不稳定或出现故障，将直接影响到企业的生产过程，造成一定的经济损失。在企业生产自动化水平不断提高的今天，需要一个稳定、可靠、有效、合理的控制系统，对空压机系统进行实时监控、控制、故障诊断、维护，有效保障空压机安全运行，为企业生产提供优质、稳定的动力，在一定程度上节省能源，降低企业生产成本[2]。采用CAN总线对空压机组电气自动控制系统进行了优化设计，以提高空压机组电气自动控制的效果。

1 空压机组电气自动控制硬件系统设计

1.1 PLC控制器

系统以欧姆龙公司内置60个I/O接线端子的CPM2A-60CDR PLC为核心，具有运算精度高，响应速度快，输入输出点丰富，支持模拟量输入、输出，易于扩展I/O点，并可利用串行接口和上位机进行通信[3]。空气压缩机起动、停止的逻辑控制，以及给水泵、扬泵、冷水塔和储气罐的排污等功能。

1.2 变频器

选用90/110 kW配接电机，178 A、6440-2UD38-8FA0、MM440、380 VAC、三相PID调节器、西门子变频器和制动装置MM440-9000/3a。西门子MM440变频器主要用于异步旋转电机，MM440变频器主要分为V/f控制和矢量控制两大类。一个单独的电压设定值的V/f工作方式可在MM440变频器中实现。采用此工作方式，变频器输出频率和电压不再捆绑，可分别设置，使变频器能在输出频率不变的情况下，接收PLC发出的电压控制信号，并自动调整其电压输出值。

1.3 CAN总线控制芯片

选用SJA1000作为CAN总线的控制芯片，SJA1000是一种基于I/O系统的单片机。在电路中，SJA1000是一个总线接口芯片。CAN控制模块主要包括界面管理逻辑、发送与接收缓冲区、接收滤波、位时序逻辑和故障管理逻辑。

2 空压机组电气自动控制系统软件功能设计

2.1 自动采集空压机组运行数据

图1为空气压缩机系统组成结构。根据图1可以得出空压机的基本工作模式与流程，利用PLC工控机实时采集空压机的工作参数，并以此作为电气自动控制的初始数据。

图1 空气压缩机系统组成结构

2.2 CAN报文的发送和接收

在CAN总线中，MAC子层采用了CSMA/CA非破坏性总线仲裁协议机制。这个仲裁协议有两层含义：第一，具有最小标识符值的信息帧具有最高优先级，显性位将覆盖隐性位，其结果就是在总线上显示显性位，其他位可以继续发送，而不会损坏；第二，CAN协议只能解决对已发生冲突的优先级选择，只有其中的一个才能完整地发送，而其他已退出发送的信息帧则不能保证下次成功发送。

2.3 计算空压机排气量与气罐容积

由于空压机机组装有冷却器，额定压力为0.9 MPa，充气后温度上升约2～5℃，因此按等温热充气计算，空压机的初始压力取为大气压0.1 MPa。在已知储气罐容积的情况下，可按式（1）计算空压机排气量：

式中，t为充气时间，Vg为储气罐容量，Px1和Tx1分别为吸气的压力和温度，而Pg1、Pg2和Tg1、Tg2分别为充气开始时和终止时储气罐内空气压力和温度。根据空压机排气量与气罐容积的计算结果，确定空压机组电气的自动控制量。

2.4 实现空压机组电气自动控制

在CAN总线环境下，结合空压机组的电气运行原理和控制量计算结果，分别从电气速度、启动、停止等多个方面，实现空压机组电气自动控制。

空气压缩机的同步转速由空气压缩机的磁极数和供电频率决定。当用Ns表示转速时，则有Ns=。

其中，参数η为空压机组的磁极个数，f为电源频率。若将同步转速Ns为基准，空压机的转差率S=。

其中，N和Ns分别为空压机组转速和同步转速，S为转差率。由此可以看出，在参数f、s中任意一个参数都可以改变电机的转速，就是异步电机的调速控制目的。所以，如果有一台能随意改变频率的电源，就可以对电机进行速度控制。

空气压缩机以自动方式完全由启动/停机按钮控制，空压机在停机状态下，根据备用选择逻辑顺序及相应的联动定值进行自动停机控制。CAN总线也可用于控制空气压缩机的程序自动移除、备用位置自动选择、人工选择和备用移除。

3 系统测试

为了测试设计的基于CAN总线的空压机组电气自动控制系统的控制效果，设计系统测试实验，并通过与传统控制系统的对比，体现出设计控制系统的应用优势。在该测试环境下将设计的控制系统对应的程序代码导入到实验环境中，得出主控制运行界面。

为了形成实验对比，利用本文系统与传统系统和文献[3]中系统优化改造结果作为实验的两个对比系统，以相同的方式导入到系统测试环境中。从空压机组转速方面得出反映控制误差的测试结果，如表1所示。

表1 空压机组电气自动控制系统控制误差测试结果 r/min

从表1可以看出，相比于两个对比控制系统，在设计的控制系统下，空压机组的实际转速值更加接近设置的转速值，即控制误差更小，控制效果更优。

4 结束语

充分利用CAN总线的特点，降低了传输开销。将CAN总线应用到空压机组电气自动控制系统中，间接地提升系统的抗干扰能力，并从硬件和软件两个方面保证控制系统运行的可靠性，从而保证空压机组的运行效率。