2D-90往復(fù)壓縮機PLC監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

巴和平

（沈陽遠大壓縮機有限公司，沈陽110141）

0 引 言

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各類大型工業(yè)生產(chǎn)過程逐漸向高能、高效的方向發(fā)展[1]，使往復(fù)壓縮機的應(yīng)用范圍愈發(fā)廣泛，人們對其在工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的安全性及可靠性的重視與日俱增。在以往的工業(yè)生產(chǎn)中，設(shè)備維護人員都是通過“定期檢修”的方式來預(yù)防設(shè)備的安全事故的，但是這樣的檢修方式卻有很大的弊端，它不能檢測到設(shè)備運行過程中產(chǎn)生的故障，不能及時防止突發(fā)事故的發(fā)生。對于往復(fù)壓縮機，為保證其安全運行，需要一個可以實時監(jiān)控其工作狀態(tài)的系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)故障或者安全隱患，在必要時可以及時停止壓縮機的運行來維護故障部位，避免重大事故的發(fā)生。建立一個能夠及時反映往復(fù)壓縮機工作狀態(tài)的監(jiān)控系統(tǒng)具有重大的實際意義。

往復(fù)壓縮機運行過程中具有結(jié)構(gòu)內(nèi)部壓力高、氣體介質(zhì)易爆等特點，一旦發(fā)生事故將直接影響使用方的安全和生產(chǎn)穩(wěn)定性，所以為滿足日益增長的市場需求，各國企業(yè)及機構(gòu)都對往復(fù)壓縮機的監(jiān)測技術(shù)給予高度重視，在往復(fù)壓縮機監(jiān)控系統(tǒng)的研究及開發(fā)方面均取得了進步[2]。目前國內(nèi)的多家不同領(lǐng)域的企業(yè)已經(jīng)有上百臺往復(fù)式壓縮機完成了監(jiān)測系統(tǒng)的安裝，該系統(tǒng)在壓縮機工作中的成功應(yīng)用使得工業(yè)生產(chǎn)中的參數(shù)可以及時地為操作者所掌握，在安全故障初顯時可以及時排除隱患，避免事故的發(fā)生[3]。各大高校以及科研機構(gòu)在監(jiān)控數(shù)據(jù)的分析處理上也取得突破進展，運用各種算法對往復(fù)壓縮機的工作情況進行深入分析，為診斷壓縮機故障，排除安全隱患提供更加可靠的資料[4-6]。但與國外成熟的監(jiān)控技術(shù)相比，國內(nèi)企業(yè)在這方面的研究仍處于起步階段，大部分的技術(shù)都是通過引進國外產(chǎn)品再國產(chǎn)化實現(xiàn)的，監(jiān)控系統(tǒng)在故障診斷的功能上還未完善。因此開展對往復(fù)壓縮機的監(jiān)控系統(tǒng)研究對我國壓縮機技術(shù)發(fā)展具有重要的實用價值。

本文將對實驗室2D-90往復(fù)壓縮機的監(jiān)控系統(tǒng)進行設(shè)計，2D-90往復(fù)壓縮機為二列對稱平衡型往復(fù)式壓縮機，活塞力為90 kN，其主要功能為輸送氣體。以工業(yè)PC機為上位機，可編程控制器為下位機，監(jiān)測系統(tǒng)對往復(fù)壓縮機的整個運行過程進行實時監(jiān)控，在出現(xiàn)故障時，操作人員可以通過控制系統(tǒng)調(diào)整壓縮機的參數(shù)，保障壓縮機的整個運行過程更高效、安全。

1 2D-90往復(fù)壓縮機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

由于往復(fù)壓縮機在運行過程中，系統(tǒng)中的各部分機構(gòu)都緊密關(guān)聯(lián)，當某個構(gòu)件出現(xiàn)故障時，都可能導(dǎo)致壓縮機管路溫度或壓力出現(xiàn)異常，因此在壓縮機工作時對其溫度、壓力和流量進行實時監(jiān)測，可及時排除故障或者安全隱患[7]。

1.1 2D-90往復(fù)壓縮機監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)

根據(jù)熱力學(xué)公式可知，壓縮機運行中溫度、氣體壓力和輸入輸出氣體體積間有如下關(guān)系：

式中：P1、P2為壓縮機的吸氣、排氣壓力，Pa；k為氣體的絕熱過程指數(shù)，k＝1.4；ε為壓縮機的壓縮比,ε=P2/P1；m為多變過程指數(shù)，絕熱過程中m=k，等溫過程中m=1。

排氣量可計算為壓縮機氣缸內(nèi)經(jīng)壓縮后排出的氣體，理論上吸氣量與排氣量的計算如下：

單作用壓縮機：

雙作用壓縮機：

式中：i為氣缸數(shù)，在2D-90往復(fù)壓縮機中，i=2；n為轉(zhuǎn)速，r/min；Qh為理論排氣量，m3/h；S為橫截面積，m2；d、D為管路直徑，m。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)原理

為實現(xiàn)往復(fù)壓縮機監(jiān)控系統(tǒng)的功能，將監(jiān)控功能分成監(jiān)測和控制兩大部分：1）監(jiān)測功能。在系統(tǒng)中監(jiān)測溫度、壓力和氣體流量，保障系統(tǒng)安全運行。2）控制功能。通過監(jiān)測系統(tǒng)溫度、壓力、氣體流量變化而控制回轉(zhuǎn)閥做出反應(yīng)，使壓縮機的主要參數(shù)處于正常范圍內(nèi)，當監(jiān)測到的參數(shù)出現(xiàn)異常或報警時，可以及時停機處理。2D-90往復(fù)壓縮機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案流程圖如圖1所示。

考慮到監(jiān)控系統(tǒng)的兼容性及經(jīng)濟實用性，下位機采用SIMATIC S7系列的PLC，選用S7-300系列可編程控制器監(jiān)控往復(fù)壓縮機運行過程中冷卻流程中的水溫、潤滑流程中的油壓，以及管道中氣體的溫度、壓力、流量等一些參數(shù)。

圖1 2D-90往復(fù)壓縮機監(jiān)控系統(tǒng)流程圖

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

結(jié)合PLC和組態(tài)技術(shù)，將機架、電源、CPU、模擬量輸入輸出模塊、數(shù)字量輸入模塊進行組態(tài)。程序設(shè)計采用了模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)，模塊中包括主程序模塊OB1和功能模塊FB1與FB2，其中控制程序分別存放在FB1和FB2兩個功能塊中，使用時，在OB1塊中通過調(diào)用FBX功能塊來實現(xiàn)程序的控制功能。

1）功能塊FB1。其主要功能為實時監(jiān)測壓縮機管路不同位置的氣體溫度、油溫和水溫，壓縮機工作流程的氣體壓力和潤滑流程的油壓，壓縮機進氣和排氣的流量，以及電磁閥的開度。測得的數(shù)據(jù)直接存儲在MD存儲區(qū)，并顯示在人機界面上。

2）功能塊FB2。主要功能為通過在人機界面輸入相應(yīng)的數(shù)值改變電磁閥的開度并且監(jiān)測電機柜上按鈕的輸入。程序編輯區(qū)域，按照變量及地址分配，輸入控制回轉(zhuǎn)閥開度時，所使用數(shù)據(jù)在PLC的位存儲區(qū)MD和直接外設(shè)輸出PQW，設(shè)備運行過程中，如果需要改變該回轉(zhuǎn)閥的開度，則在人機監(jiān)控界面輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，則該數(shù)據(jù)會保存在PLC的MD110地址中，然后經(jīng)過模擬量輸出程序塊，將數(shù)據(jù)傳送到PQW304地址中，輸出數(shù)據(jù)，傳遞給回轉(zhuǎn)閥，改變其開度大小。

3）組織塊OB1。用于調(diào)用FB1和FB2功能模塊，將指令傳輸?shù)娇删幊炭刂破鞯腃PU去執(zhí)行。

組態(tài)界面由主界面和監(jiān)控界面組成，主界面設(shè)置各監(jiān)控界面的功能區(qū)，主要包括壓縮機的工作流程界面、冷卻水的流程界面及潤滑油的流程等壓縮機工作中的運行模擬畫面，還包括如數(shù)據(jù)列表、壓力趨勢及報警記錄等以圖表和曲線的形式表示的壓縮機運行狀況界面，其中返回按鈕可返回“登錄系統(tǒng)”界面。具體畫面設(shè)計如圖2所示。

為了能夠更加清晰地觀測壓縮機的工作狀態(tài)，在監(jiān)控主界面中模擬了往復(fù)壓縮機氣動回路、潤滑回路及冷卻水回路的狀態(tài)信號，實時監(jiān)控壓縮機實體管道、儀表和電磁閥狀態(tài)。當壓縮機無故障和安全隱患時，指示燈顯示綠色，若儀表所測的數(shù)據(jù)超過壓縮機運行的安全范圍，指示燈顯示紅燈，操作人員就可以通過該界面監(jiān)測到系統(tǒng)出現(xiàn)故障，及時采取措施。同時在每一個指示燈下都設(shè)有輸出閾值，顯示儀表監(jiān)測到的數(shù)值，使操作者能夠直接讀取儀表觀測值，返回主界面，進入其他監(jiān)控畫面。具體畫面設(shè)計如圖3所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)主界面設(shè)計

圖3 監(jiān)控主界面

經(jīng)實驗，本監(jiān)控系統(tǒng)可以通過儀表監(jiān)測往復(fù)壓縮機設(shè)備中的各項熱力性能參數(shù)，并可以通過相應(yīng)界面控制壓縮機回轉(zhuǎn)閥的開度，達到對壓縮機運行狀態(tài)實時監(jiān)控的目的，滿足安全要求。

3 結(jié) 論

本文以2D-90往復(fù)壓縮機為研究對象，根據(jù)往復(fù)壓縮機的監(jiān)控要求，確定需要監(jiān)測的熱力性能參數(shù)，結(jié)構(gòu)PLC和WINCC組態(tài)技術(shù)，對監(jiān)控系統(tǒng)進行設(shè)計。實驗證明：1）基于PLC開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測和控制程序，實現(xiàn)了對相應(yīng)參數(shù)的采集監(jiān)測及控制功能，該方法簡單易行；2）基于WINCC組態(tài)軟件開發(fā)監(jiān)控界面，實現(xiàn)WINCC與PLC間的通信，使監(jiān)控數(shù)據(jù)實時顯示在系統(tǒng)的界面中，便于操作人員對壓縮機各項指標進行監(jiān)控；3）該系統(tǒng)的設(shè)計可為其他類型的往復(fù)壓縮機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計提供可行的方法和理論依據(jù)，并適合進行進一步的功能擴展。