基于變頻器及PLC 控制的螺桿式空壓機(jī)的節(jié)能改造系統(tǒng)

吳勇波，李朋，侯小波

（1. 深圳煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，廣東 深圳 518109；2.北京航天拓?fù)涓呖萍加邢挢?zé)任公司，北京 100176）

螺桿式空壓機(jī)是卷煙廠動(dòng)力車(chē)間的重要設(shè)備之一，是產(chǎn)生壓縮空氣的主要設(shè)備。但其自動(dòng)化程度低，控制方式相對(duì)簡(jiǎn)單，通常采用兩點(diǎn)式（上下限）控制，即當(dāng)空壓機(jī)氣缸內(nèi)的壓力達(dá)到設(shè)定壓力上限值時(shí)，空壓機(jī)關(guān)閉進(jìn)氣閥，進(jìn)入卸載狀態(tài)，當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓力低于設(shè)定壓力下限值時(shí)，空壓機(jī)打開(kāi)進(jìn)氣閥，進(jìn)入加載狀態(tài)。空壓機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中排氣量和壓力經(jīng)常因?yàn)樯a(chǎn)車(chē)間的用氣量變化而變化，這就導(dǎo)致空壓機(jī)經(jīng)常是加載一段時(shí)間，然后，卸載一段時(shí)間，頻繁重復(fù)加載和卸載。螺桿式空壓機(jī)的上下限的控制方式導(dǎo)致產(chǎn)生的空氣壓力不穩(wěn)定，管路的空氣壓力波動(dòng)比較大，不能保持恒定的車(chē)間用氣壓力；空壓機(jī)頻繁的卸載和加載，對(duì)電網(wǎng)的沖擊比較大；空壓機(jī)卸載狀態(tài)時(shí)，主電機(jī)依舊保持運(yùn)行，并不產(chǎn)氣，運(yùn)轉(zhuǎn)效率低，能耗大，電能浪費(fèi)較大；空壓機(jī)始終高速運(yùn)轉(zhuǎn)，且頻繁操作進(jìn)氣閥，導(dǎo)致機(jī)械磨損加快，增加造氣成本。

由于煙廠制絲生產(chǎn)線是流水式生產(chǎn)線，自動(dòng)化程度高，相應(yīng)對(duì)于空壓的穩(wěn)定性要求也很高，以及卷煙廠對(duì)節(jié)能降耗的要求不斷增加，加上上述螺桿式空壓機(jī)的缺點(diǎn)，有必要對(duì)螺桿式空壓機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能改造。隨著工控技術(shù)的發(fā)展，變頻器所具有的性能穩(wěn)定性、節(jié)能、調(diào)速等特性在工控領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，以及可編程控制器（PLC）具有體積小、控制功能強(qiáng)、可靠性高、編程簡(jiǎn)單、易于擴(kuò)展等特性。通過(guò)PLC 控制與變頻器相結(jié)合為空壓機(jī)節(jié)能改造提供了可靠的技術(shù)支持。

1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成主要包括硬件和軟件兩方面，硬件方面主要由可編程控制器，即PLC（西門(mén)子315 PLC）、分布式IO（西門(mén)子151-3）、數(shù)字量輸入輸出IO 模塊及模擬量輸入AI 模塊、變頻器（丹佛斯FC302 系列）、壓力變送器（E+H 產(chǎn)品）等產(chǎn)品組成。每臺(tái)空壓機(jī)電機(jī)通過(guò)變頻器控制，空壓系統(tǒng)內(nèi)其它電機(jī)均由分布式IO 控制；軟件方面主要由西門(mén)子S7 編程軟件和Intouch 監(jiān)控軟件組成，S7 用于編寫(xiě)PLC 控制程序，Intouch 用于完成人機(jī)界面的開(kāi)發(fā)。

1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)包括設(shè)備控制層和集中監(jiān)控層兩大部分，從功能上包括底層動(dòng)力自動(dòng)控制、設(shè)備運(yùn)行集中監(jiān)控兩大系統(tǒng)，并為信息管理層預(yù)留提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)接口。設(shè)備控制層主要由各類(lèi)現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備、計(jì)量?jī)x表和各類(lèi)現(xiàn)場(chǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)組成；集中監(jiān)控層主要由過(guò)程控制單元如PLC、數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)、各類(lèi)操作計(jì)算機(jī)設(shè)備和工業(yè)以太網(wǎng)組成。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用分散控制、集中監(jiān)控的模式。PLC 通過(guò)Profinet 網(wǎng)絡(luò)將變頻器、分布式IO 進(jìn)行組網(wǎng)；多功能電能表通過(guò)Profibus DP 組網(wǎng)，流量計(jì)通過(guò)Profibus PA 組網(wǎng)；空壓機(jī)網(wǎng)關(guān)、監(jiān)控機(jī)通過(guò)TCP/IP與PLC 的CP 網(wǎng)卡相連。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1。

圖1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

這種配置方案技術(shù)先進(jìn)，廣泛采用目前國(guó)際領(lǐng)先的分布式技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品，大大減少了電控箱的柜間連線和省去了大量的現(xiàn)場(chǎng)線纜，既提高控制精度和可靠性，又給維護(hù)保養(yǎng)帶來(lái)了很大方便。

2 節(jié)能控制設(shè)計(jì)

節(jié)能控制主要是依托系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集及PLC 編程控制實(shí)現(xiàn)節(jié)能，主要有以下兩方面：

（1）通過(guò)PID 閉環(huán)調(diào)節(jié)控制變頻器轉(zhuǎn)速；

（2）通過(guò)PLC 編程，控制空壓機(jī)數(shù)群控策略。

2.1 PID 閉環(huán)控制

PID 閉環(huán)控制是將采集壓力實(shí)際值反饋給PLC，通過(guò)跟壓力設(shè)定值進(jìn)行比較，輸出給PID 控制器，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)頻率，從而控制實(shí)際壓力使其達(dá)到設(shè)定值，PID 閉環(huán)控制回路如圖2 所示。

動(dòng)力車(chē)間空壓系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，首先，設(shè)定系統(tǒng)壓縮空氣的工作壓力，即壓力設(shè)定值SP。在空壓機(jī)出氣管路上加裝的壓力傳感器，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)采集空壓機(jī)出氣口實(shí)際壓縮空氣的壓力，即可采集壓力實(shí)際值PV。PLC 編程PID 閉環(huán)控制程序，通過(guò)采集的壓力實(shí)際值PV 與工作壓力設(shè)定值SP比較，如果不一致，則通過(guò)PID 閉環(huán)控制調(diào)節(jié)變頻器頻率設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)電機(jī)的變頻運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能的目的。系統(tǒng)運(yùn)行框圖如圖3。

圖2 PID 閉環(huán)控制示意圖

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行框圖

2.2 空壓機(jī)數(shù)群控策略

空壓機(jī)網(wǎng)關(guān)的安裝可實(shí)現(xiàn)PLC 與空壓機(jī)本身控制的通訊，PLC 可遠(yuǎn)程啟停空壓機(jī)，PLC 程序根據(jù)壓縮空氣總管壓力控制空壓機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)，使空壓機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)與用氣負(fù)荷相匹配，從而避免了以往運(yùn)行工根據(jù)經(jīng)驗(yàn)開(kāi)啟一定臺(tái)數(shù)的空壓機(jī)的做法。在生產(chǎn)穩(wěn)定情況下，壓空機(jī)需要空壓機(jī)的總出力大于生產(chǎn)用氣的最大負(fù)荷，但是，空壓用氣點(diǎn)除了工藝用氣相對(duì)穩(wěn)定外，吹掃和除塵用氣都屬于間歇性用氣，且用氣時(shí)間短，因此，空壓系統(tǒng)總會(huì)有一臺(tái)空壓機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)（加載），運(yùn)行頻率通過(guò)PID 閉環(huán)控制進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)用氣量等于或超過(guò)此單機(jī)容量時(shí)，自動(dòng)增加一臺(tái)空壓機(jī)啟動(dòng)并使其調(diào)速運(yùn)行。

3 空壓機(jī)變頻改造后的效益

3.1 節(jié)約能源

空壓機(jī)加載運(yùn)行時(shí)，電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速降低，并且卸載現(xiàn)象減少，減少了空壓機(jī)的無(wú)用功，從而達(dá)到節(jié)能效果。

3.2 提高系統(tǒng)壓力穩(wěn)定性

螺桿式空壓機(jī)采用變頻器及PLC 控制后，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管路中壓縮空氣的壓力，通過(guò)PID 反饋閉環(huán)調(diào)節(jié)，使管路中的壓縮空氣的壓力保持恒定，提高了系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定性。

3.3 延長(zhǎng)空壓機(jī)使用壽命

空壓機(jī)變頻啟動(dòng)電流小，基本消除空壓機(jī)頻繁的加卸載過(guò)程，加卸載閥門(mén)反復(fù)動(dòng)作也相應(yīng)消除，空壓機(jī)變頻控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，運(yùn)行頻率低，轉(zhuǎn)速慢，軸承磨損小，設(shè)備使用壽命延長(zhǎng)，維護(hù)工作量變小。

3.4 噪音小

空壓機(jī)電機(jī)通過(guò)PID 閉環(huán)控制變頻運(yùn)行，能量損耗低，電機(jī)運(yùn)行頻率低，因此，降低了機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的噪音；反復(fù)加載、卸載的過(guò)程基本消除，頻繁加卸載的噪音也基本消除；持續(xù)加壓，氣壓不穩(wěn)產(chǎn)生的噪音也基本消除。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，螺桿式空壓機(jī)采用變頻器及PLC 控制系統(tǒng)后，不但實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的，延長(zhǎng)螺桿式空壓機(jī)的使用壽命，還可實(shí)現(xiàn)卷煙廠動(dòng)力車(chē)間空壓系統(tǒng)供氣壓力穩(wěn)定的目的，減少生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。