基于PLC的壓縮機自動控制系統(tǒng)

周康軍

（中鋁山東有限公司，山東 淄博 255052）

1 前言

中鋁山東有限公司第二氧化鋁廠有壓縮機5臺，壓縮機崗位主要負責(zé)為種分分解槽提供所需壓力的壓縮空氣、吹管道用風(fēng)、過濾機風(fēng)包用風(fēng)、氣動閥用風(fēng)等，是第二氧化鋁廠重點設(shè)備。改造前設(shè)備運行過程中，已經(jīng)暴露出很多問題，嚴重影響了壓縮機的運行和維護。

1.1 存在問題

壓縮機的監(jiān)控不集中，每臺壓縮機單獨1套操作臺，隨著第二氧化鋁廠生產(chǎn)規(guī)模的擴大，對壓縮機的連續(xù)運行時間和投入設(shè)備數(shù)量也隨之提高，為滿足生產(chǎn)操作人員有時要同時監(jiān)控三個操作臺，工作強度特別大。

原控制回路全部采用繼電器聯(lián)鎖控制，應(yīng)用了大量的中間繼電器、時間繼電器，機械接觸點很多，電氣聯(lián)鎖信號非常多，線路煩瑣復(fù)雜，容易損壞，故障率高，控制效率低。控制儀表全部是電-II型儀表，控制、報警參數(shù)的調(diào)節(jié)靠人為手動，不能實現(xiàn)智能控制，所監(jiān)測的進排氣壓力、溫度等控制參數(shù)不能進行數(shù)據(jù)存儲，保護回路動作引起壓縮機跳閘造成壓縮機不能進行正常啟動時，系統(tǒng)維護人員很難查找引起系統(tǒng)動作的原因，在系統(tǒng)的修復(fù)上存在很大的困難。

1.2 改造的必要性

電氣、儀表控制系統(tǒng)的裝備技術(shù)水平已遠遠滯后，為了提高壓縮機自動運行的性能，在目前控制狀況的基礎(chǔ)上進行改造是很必要的。我們結(jié)合工業(yè)自動化先進技術(shù)和壓縮機崗位生產(chǎn)操作的特點，通過技術(shù)方案的比較及產(chǎn)品選型的反復(fù)論證，完成采用了高壓電動機保護器和PLC控制技術(shù)相結(jié)合的控制方式，實現(xiàn)了低成本自動化改造措施，做到了投資省、見效快、實用性強，在確保壓縮機可靠運行的前提下，對控制參數(shù)監(jiān)測采集、集中監(jiān)控、自動控制、故障診斷等方面提出了更高的要求，完成了自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)和管理技術(shù)融為一體的自動化系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)控制概述

壓縮機的控制主要為儀表控制設(shè)備和電氣控制設(shè)備兩部分。儀表控制設(shè)備主要包括參與壓縮機控制的壓力、溫度和電量等現(xiàn)場儀表。電氣控制設(shè)備主要包括主機和輔機部分。

主機是壓縮機的核心部分，也是壓縮機中最重要的設(shè)備。對于壓縮機的控制而言，就是通過現(xiàn)場儀表、傳感器、電氣輔助設(shè)備把所有可采集的控制信號輸入控制系統(tǒng)，進行分析判斷，完成壓縮機的順利啟動和在運行過程中對壓縮機的保護，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，快速停車，以免出現(xiàn)重大設(shè)備事故。

壓縮機在啟動時，首先啟動輔機部分，包括注油器電機、油泵電機和水泵電機，然后啟動盤車電機，由盤車電機緩慢拖動主機運轉(zhuǎn)，檢查主機的機械傳動部分有無故障，如無問題則停止盤車電機，繼續(xù)檢查勵磁回路、油壓、水壓和水溫等監(jiān)控信號，條件允許則發(fā)出開車信號，啟動主機進入運行階段。在運行階段，自動控制系統(tǒng)要分析所有的儀表信號和電氣信號，把油壓、水壓、I級排氣壓力、II級排氣壓力、進水溫度、出水溫度、電機定子溫度、主機電流和電壓、勵磁電流和電壓等信號和設(shè)定的保護值進行比較，同時監(jiān)測輔機和勵磁控制回路的運行情況，發(fā)現(xiàn)異常后，自動進入系統(tǒng)保護程序。保護按工況分為一級保護和二級保護，一級保護給出報警信號，提示操作人員快速采取措施調(diào)整壓縮機的運行狀態(tài)，以免造成不必要的停車，例如水溫、I、 II級排氣溫度超高預(yù)警值；二級保護則要立即停車，例如勵磁回路故障，主機失磁等。

3 自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和硬件配置

系統(tǒng)主要由現(xiàn)場控制層、操作監(jiān)控層和管理層構(gòu)成。選擇西門子PLC做現(xiàn)場控制單元，完成壓風(fēng)機的控制任務(wù)；操作監(jiān)控層采用DELL GX320計算機做上位機操作站，顯示實時數(shù)據(jù)以及操作畫面；計算機設(shè)有數(shù)據(jù)庫、并入局域網(wǎng)，管理人員可以通過局域網(wǎng)進入壓縮機控制系統(tǒng)瀏覽實時和歷史數(shù)據(jù)，并據(jù)此進行系統(tǒng)的優(yōu)化等工作，構(gòu)成了系統(tǒng)的管理層。現(xiàn)場控制站與操作站之間采用RS485總線，MODBUS協(xié)議通訊；操作站、工程師站與局域網(wǎng)連接。整個系統(tǒng)可靠性高，同時又具有先進的管理功能，而其成本較采用進口DCS低一倍以上.系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖：

3.1 PLC系統(tǒng)硬件配置

對控制站進行配置時，充分考慮到壓縮機的控制特點，必須能夠快速地響應(yīng)來自傳感器的信號，進行判斷分析，要求控制單元必須具備強大的邏輯及浮點運算能力，豐富的控制算法，我們選擇了CPU315-DP作為控制器，選用6ES7 321、331、322為i/o模塊，選用6GK7 343為以太網(wǎng)通訊模塊，通過IM153進行遠程I/O擴展。

3.2 主要電氣設(shè)備和元件的選型

真空斷路器：選用ZN68-1250型，該斷路器具有壽命長、維護簡單、無爆炸危險、無污染、噪音低等優(yōu)點，并且適用于頻繁操作等比較苛刻的工作條件。在高壓盤柜施工，拆裝簡單。

勵磁裝置：選用BL31型勵磁裝置，可實現(xiàn)恒功率、恒流、恒壓功能，自動調(diào)節(jié)性能及穩(wěn)定性和可靠性增強，操作人員在開車前只需要觀測，無須調(diào)解勵磁，維護及維修量降低。

高壓電動機保護器：選用施諾S310M型高壓電動機保護器，它是集可靠的保護功能、靈活的控制功能、精確的測量功能、完善的記錄功能、穩(wěn)定的通訊功能和電度計量功能于一體的智能裝置。完全可以替代中間繼電器。

低壓電氣元件：低壓斷路器、交流接觸器、熱繼電器等全部采用ABB的產(chǎn)品，有效的提高了電氣元件的可靠性。

4 自動控制系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

4.1 自動控制系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)從功能和結(jié)構(gòu)上進行劃分，可分下位機系統(tǒng)和操作員系統(tǒng)兩部分。下位程序指令是整個控制系統(tǒng)的核心部分。

4.1.1 上位計算機監(jiān)控組態(tài)

控制系統(tǒng)設(shè)置2個操作臺，便于生產(chǎn)操作人員對壓縮機運行過程的監(jiān)控管理，所有的運行數(shù)據(jù)實時顯示，可以在操作臺上啟停除高壓電動機以外的所有設(shè)備。實際設(shè)備運行中的人機對話通過上位計算機的WINCC監(jiān)控組態(tài)軟件全面實現(xiàn)。操作員站設(shè)置有如下顯示畫面：

（1）流程畫面：將現(xiàn)場控制站采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)及工藝參數(shù)顯示在流程圖的相應(yīng)位置上，通過動畫直觀的顯示壓縮機的運行狀態(tài)及各種實時數(shù)據(jù)。操作人員可根據(jù)此畫面了解整個系統(tǒng)的運行情況。

（2）調(diào)節(jié)畫面：將系統(tǒng)各控制回路的運行狀態(tài)和有關(guān)參數(shù)以調(diào)節(jié)棒圖的形式顯示出來。可以顯示回路的手、自動狀態(tài)。操作人員利用鍵盤或鼠標方便的對各控制回路的控制參數(shù)進行在線修正。

（3）報警畫面：用于記錄何時何地有何報警，以便有關(guān)人員查詢，同時實現(xiàn)安全報警、聯(lián)鎖控制。

（4）歷史趨勢畫面：用于記錄系統(tǒng)主要工藝參數(shù)的長期歷史趨勢數(shù)據(jù)，以曲線的形式顯示出來，可為分析系統(tǒng)運行情況及效率，查找故障等提供依據(jù)。

工程師站除具有操作站的全部功能外，還具有參數(shù)設(shè)定與修改，系統(tǒng)維護等功能。可設(shè)定系統(tǒng)的各模擬量測量點的標度變換系數(shù)、熱電阻、熱電偶的線性化參數(shù)、孔板流量計算參數(shù)、各控制回路組態(tài)參數(shù)及PID參數(shù)等。工程師站負責(zé)系統(tǒng)的打印任務(wù)，可打印即時報警歷史報警記錄以及壓縮機運行日志和歷史數(shù)據(jù)表格等。系統(tǒng)通過企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)，使有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)可從內(nèi)部網(wǎng)上看到壓縮機系統(tǒng)的運行狀況，并實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程診斷和維護。

4.1.2 數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)場儀表采集的信號包括油壓、水壓、I級排氣壓力、II級排氣壓力、進水溫度、出水溫度、電機定子溫度。電量信號包括主機電流、主機電壓、勵磁電流和勵磁電壓。所有的儀表信號和電量信號均參與壓縮機的保護和控制。

數(shù)據(jù)采集分析采用調(diào)用功能圖FB101進行編程處理，F(xiàn)B101 是自行編寫的工程量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)據(jù)進行工程量轉(zhuǎn)換后，輸送至數(shù)據(jù)值比較模塊和設(shè)定的報警值進行數(shù)據(jù)比較，為了消除干擾所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)抖動，以免發(fā)生誤動作，數(shù)據(jù)比較時進行了適量時間的延時，如果采集的數(shù)據(jù)超出預(yù)警值，自動調(diào)用數(shù)據(jù)報警處理程序。

4.1.3 網(wǎng)絡(luò)通訊

操作員站和現(xiàn)場控制站之間通過工業(yè)以太網(wǎng)的方式進行數(shù)據(jù)交換。

4.2 電氣系統(tǒng)

系統(tǒng)中的電氣信號傳輸采用了以下方式：

電氣設(shè)備控制元件斷路器、交流接觸器、熱繼電器、電流變送器等設(shè)置于電磁站內(nèi)，來自低壓盤的開關(guān)量輸入信號系統(tǒng)配電電源的方式通過開關(guān)量輸入板直接接入控制器，不再另外設(shè)置24VDC繼電器轉(zhuǎn)換隔離。

開關(guān)量輸出通過開關(guān)量輸出板，經(jīng)24VDC繼電器隔離后以無源方式輸出。

所有電器設(shè)備的狀態(tài)顯示、故障報警、啟動停止操作，以及有關(guān)數(shù)據(jù)的修改等全部在上位計算機集中完成。

電氣設(shè)備油泵、盤車電機、注油器電機、水泵實現(xiàn)了集中、機旁操作，高壓電動機根據(jù)工藝要求只允許在現(xiàn)場開車，在操作室內(nèi)安裝了高壓電動機急停開關(guān)，以便在突發(fā)情況下使用。

設(shè)備的啟動停止、壓力信號的控制聯(lián)鎖邏輯、電氣程序指令以及部分設(shè)備的報警功能等存儲在下位控制器中。

5 應(yīng)用效果

改造后的壓縮機自動控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定、性能優(yōu)越、維修簡捷、操作方便、故障顯示清楚、故障率低、控制效果良好。投入使用后實踐證明，運行情況良好，滿足了的工藝要求，提高了設(shè)備開動率，降低了檢修費用，特別是降低了工人的勞動強度，提高了企業(yè)生產(chǎn)率。