空壓機(jī)組智能群體控制技術(shù)

溫雪媛，李盛健，熊銳博，藍(lán)小棚，陸潤年，付曉飛

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545000）

0 引言

空氣壓縮機(jī)（簡稱空壓機(jī)）能夠?qū)⒖諝庥傻蛪毫D(zhuǎn)為高壓力，從而實現(xiàn)輸出高壓力壓縮壓縮空氣的功能。壓縮空氣是一種工業(yè)領(lǐng)域重要的動力源，在機(jī)器人、氣動噴槍等工業(yè)設(shè)備中起到關(guān)鍵作用，因此在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

空壓機(jī)主要分為螺桿式空壓機(jī)與離心式空壓機(jī)。螺桿式空壓機(jī)主要特點是體積較小，易損件較少便于維護(hù)，進(jìn)排氣均勻且無壓力脈沖。離心式空壓機(jī)主要特點是體積較大，維護(hù)、操作要求較高，排氣量變化會對機(jī)械運行效率產(chǎn)生較大影響。螺桿式空壓機(jī)相較于離心式空壓機(jī)單位功耗產(chǎn)氣量更小，因此在應(yīng)對高壓縮空氣需求時，工廠必然投入多臺離心式空壓機(jī)與螺桿式空壓機(jī)，設(shè)定不同的空壓機(jī)加載組合來應(yīng)對廠區(qū)用氣需求[1]。

包含多臺不同型號的大型空壓站內(nèi)，在日常生產(chǎn)投入中，通常會出現(xiàn)供氣壓力不穩(wěn)定、操作空壓機(jī)啟停響應(yīng)時間慢、空壓機(jī)操作不當(dāng)導(dǎo)致耗能過高、經(jīng)常需要工人穿梭空壓站房的高噪聲環(huán)境等問題。針對以上在實際生產(chǎn)中遇到的難點，本文以采集并讀取空壓機(jī)關(guān)鍵數(shù)據(jù)為切入點，通過在電腦端建立視窗監(jiān)視與控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對空壓機(jī)群組啟停智能控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計框架

首先使用PLC 與PC 組成的計算機(jī)控制系統(tǒng)對空壓機(jī)進(jìn)行關(guān)鍵信號采集，對空壓機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測、控制、報警與數(shù)據(jù)記錄。控制系統(tǒng)中下位機(jī)選用西門子S7-1200PLC，其具有模塊化、結(jié)構(gòu)緊湊、功能全面等特點，適用于多種應(yīng)用，能夠保障現(xiàn)有投資的長期安全。由于控制器的可擴(kuò)展和靈活設(shè)計特點，其通信接口符合工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)以及其廣泛的集成技術(shù)特性，使其能夠參與建立一個完整的自動化綜合解決方案。

系統(tǒng)上位機(jī)選用符合企業(yè)要求的普通微型計算機(jī)，可在該計算機(jī)內(nèi)安裝SIMATIC WinCC V7 組態(tài)軟件，搭建人機(jī)交互界面從而實現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)顯示與多樣化控制的功能。WinCC 系統(tǒng)能提供可視任務(wù)所需的組件、函數(shù)、腳本、報警、趨勢和報表的編輯器。基本系統(tǒng)中的歷史數(shù)據(jù)歸檔以較高的壓縮比進(jìn)行長期數(shù)據(jù)歸檔，并具有數(shù)據(jù)導(dǎo)出和備份功能。WinCC 可以與多種自動化設(shè)備及控制軟件集成，它是一個高度開放的過程可視化系統(tǒng)，可以實現(xiàn)更大程度的生產(chǎn)過程透明性。還需要安裝Siemens Simatic TIA Portal V16 軟件，通過該軟件可實現(xiàn)對西門子S7-1200PLC 的編程，實現(xiàn)空壓機(jī)群組智能控制。空壓機(jī)群組智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)

現(xiàn)場傳感器用于采集現(xiàn)場信號，其中的溫度信號、電流信號與壓力信號經(jīng)智能模塊RS485 傳送至上位機(jī)程序接口，經(jīng)變送以PLC 標(biāo)準(zhǔn)信號形式傳送至上位機(jī)。系統(tǒng)通過在壓縮機(jī)的排氣口安裝壓力及溫度傳感器，對壓縮機(jī)的排氣壓力和溫度進(jìn)行監(jiān)測并對冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和電機(jī)等的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。現(xiàn)場傳感器用于采集現(xiàn)場信號，溫度和電流信號通過智能模塊RS485 發(fā)送到上位機(jī)程序接口，其他信號通過PLC 標(biāo)準(zhǔn)信號上傳至上位機(jī)。本系統(tǒng)監(jiān)測壓縮機(jī)排氣壓力和溫度，并通過安裝壓力和溫度傳感器檢測相應(yīng)信號，將冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)的溫度、壓力數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。控制柜包含了啟停無源信號、運行燈、報警燈等開關(guān)量信號，以及電動機(jī)的電量參數(shù)等模擬量信號[2]。

變頻器在空壓機(jī)的運行中起著變頻啟動、穩(wěn)定供風(fēng)、保護(hù)設(shè)備及節(jié)能降耗的作用。但是在實際的工作中，變頻器的使用又引發(fā)了諧波干擾問題，影響了附近的電力及控制設(shè)備，造成了電機(jī)額定功率下的溫升增加等。在空壓機(jī)運行中，變頻器起到變頻啟動、穩(wěn)定供氣、保護(hù)設(shè)備、節(jié)能降耗等作用。但在實踐中，使用變頻器會造成諧波干擾影響附近電力控制設(shè)施和控制設(shè)備的問題，導(dǎo)致在電機(jī)額定功率內(nèi)溫升增加等問題。

1.2 空壓機(jī)節(jié)能群控系統(tǒng)原理

空壓機(jī)群控的核心在于實現(xiàn)供氣端與用氣端之間的平衡關(guān)系[3]。如圖2 所示，空壓機(jī)組為供氣端，廠區(qū)用氣設(shè)備為用氣端，空壓機(jī)組為廠區(qū)用氣設(shè)備供氣時，壓縮空氣壓力值保持在較穩(wěn)定的波動范圍內(nèi)，且壓縮空氣壓力波動范圍值盡可能接近用氣設(shè)備所需的最低壓縮空氣壓力。壓縮空氣壓力進(jìn)行變化時，可優(yōu)先使用裝有變頻機(jī)的大功率螺桿式空壓機(jī)應(yīng)對氣壓波動；氣壓波動更大的時候再使用多臺較小功率螺桿式空壓機(jī)進(jìn)行調(diào)控；為保障生產(chǎn)安全，當(dāng)空壓機(jī)存在安全系數(shù)超出安全范圍時立即減載該空壓機(jī)并加載合適的空壓機(jī)，加快問題處理響應(yīng)速度，保障生產(chǎn)安全。這樣可以盡量減少壓縮空氣供氣量浪費，使供氣量盡可能接近與用氣需求量，從而達(dá)到減少耗電量的目的。空壓機(jī)群控節(jié)能措施主要為以下3 點：螺桿式空壓機(jī)輪換啟停機(jī)制、變頻機(jī)自動調(diào)控、特定情況自動開關(guān)機(jī)。螺桿式空壓機(jī)輪換啟停機(jī)制作用為避免某一空壓機(jī)因氣壓波動頻繁加減載，導(dǎo)致空壓機(jī)損耗增加；變頻機(jī)自動控制作用為通過PID 控制，使空壓機(jī)電機(jī)頻率自動變化，保持壓縮空氣氣壓穩(wěn)定在設(shè)定值，減少壓縮空氣供應(yīng)浪費從而在滿足供氣需求時降低電耗；特定情況自動開關(guān)機(jī)作用為當(dāng)空壓機(jī)內(nèi)部關(guān)鍵參數(shù)超出預(yù)警值時，及時關(guān)停問題設(shè)備并及時加載其他空壓機(jī)保持氣壓穩(wěn)定，避免空壓機(jī)問題運行時間過長導(dǎo)致空壓機(jī)電機(jī)損壞，產(chǎn)生不必要的損失。以下為空壓機(jī)節(jié)能群控具體措施。

圖2 壓縮空氣供給平衡

1.2.1 螺桿式空壓機(jī)輪換啟停機(jī)制

螺桿式空壓機(jī)輪換啟停機(jī)制功能可以實現(xiàn)多臺螺桿式空壓機(jī)循環(huán)處于加載待機(jī)狀態(tài)。螺桿式空壓機(jī)若頻繁進(jìn)行加減載動作，對空壓機(jī)的效率與壽命會造成不良影響，且危及站房設(shè)備安全，增加安全隱患。

空壓機(jī)加減載是空壓機(jī)正常運作的一部分，但空壓機(jī)頻繁加減載會對空壓機(jī)造成大的傷害。空壓機(jī)頻繁加卸載會導(dǎo)致進(jìn)氣閥、泄放閥、氣缸、最小壓力閥等閥門損壞。當(dāng)空壓機(jī)頻繁加減載，空壓機(jī)電機(jī)在輕重負(fù)載頻繁更換的整個過程中需要很長時間，會嚴(yán)重?fù)p壞電機(jī)和主機(jī)滾動軸承。與此同時空壓機(jī)耗電量增加，輸出單位體積的壓縮空氣時需要更多的電力消耗，產(chǎn)出能效低。因此，在上位機(jī)的微型計算機(jī)處可編寫程序，實現(xiàn)多臺小螺桿機(jī)輪換處于加載待機(jī)狀態(tài)。即當(dāng)前設(shè)置一種螺桿機(jī)加減載順序，當(dāng)壓縮空氣管道壓力超過相應(yīng)的氣壓控制上下限時，加載或減載螺桿機(jī)；每隔1h，改變一次螺桿機(jī)加減載順序，使得不同的螺桿機(jī)均可存在啟停機(jī)會，而不是頻繁啟停某個螺桿機(jī)，從而避免出現(xiàn)頻繁加載某一螺桿機(jī)的情況。

1.2.2 變頻機(jī)自動調(diào)控

變頻機(jī)一般都安裝在較大功率的螺桿機(jī)，該功能可以根據(jù)變頻機(jī)的具體情況，實現(xiàn)對大功率螺桿機(jī)的合理控制。利用模糊PID 技術(shù)，控制變頻機(jī)的轉(zhuǎn)速。模糊控制PID 能夠?qū)崟r調(diào)整三個PID 參數(shù)。利用模糊邏輯并根據(jù)一定的模糊規(guī)則對PID 的參數(shù)進(jìn)行實時的優(yōu)化，以克服傳統(tǒng)PID 參數(shù)無法實時調(diào)整PID 參數(shù)的缺點。

利用實時監(jiān)測的空壓機(jī)出口壓縮空氣壓力值，將其反饋至PID 模糊控制的輸入端，通過找出PID 的3個參數(shù)與誤差和誤差變化率的關(guān)系，對PID 的3 個參數(shù)進(jìn)行實時調(diào)整。由此可實現(xiàn)變頻機(jī)穩(wěn)定輸出，應(yīng)對壓縮空氣壓力波動，如圖3 所示。

圖3 壓力模糊控制

1.2.3 特定情況自動開關(guān)機(jī)

該功能可在特定情況下使小空壓機(jī)機(jī)自動加減載。當(dāng)空壓機(jī)出現(xiàn)電機(jī)溫度過高或電流過高時，此時會在上位機(jī)處的人機(jī)交互界面進(jìn)行報警，該空壓機(jī)將進(jìn)入危險的運行環(huán)境。若此時正處于為廠區(qū)生產(chǎn)持續(xù)供氣過程中，若不能及時關(guān)閉出現(xiàn)報警的空壓機(jī)或開啟其他空壓機(jī)保證壓縮空氣壓力，會對空壓機(jī)造成較大損壞，且可能會對企業(yè)生產(chǎn)造成較大影響。因此出現(xiàn)空壓機(jī)警報信號時，可利用程序使得出現(xiàn)報警信號的空壓機(jī)及時卸載，并根據(jù)螺桿式空壓機(jī)輪換加載待機(jī)程序，及時加載已經(jīng)處于加載待機(jī)的螺桿式空壓機(jī)，保證生產(chǎn)供氣穩(wěn)定性[4]。

2 PLC 系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 PLC 的選擇

本文使用的PLC 為西門子系列的S7-1200PLC，該PLC 中的每一種模塊都可以進(jìn)行擴(kuò)展，本文選擇的為CPU 1211C。可在任CPU 的前方加入一個信號板，輕松擴(kuò)展數(shù)字或模擬量I/O，同時不影響控制器的實際大小。可將信號模塊連接至CPU 的右側(cè)，進(jìn)一步擴(kuò)展數(shù)字量或模擬量I/O 容量。

2.2 傳感器的選擇

本系統(tǒng)使用的溫度傳感器為KTY84 溫度傳感器。KTY84 溫度傳感器芯片結(jié)構(gòu)基于擴(kuò)散電阻原理，主要成分是硅，硅天性穩(wěn)定，測量范圍內(nèi)都具有實際在線線性的溫度系數(shù)，確保了溫度測量的高精確度。所以此類具有精度高、可靠性高和穩(wěn)定性強以及正溫度系數(shù)的特點。

2.3 繼電器的選擇

相序保護(hù)可采用相序繼電器，當(dāng)電路中相序與指定相序不符時，相序繼電器將觸發(fā)動作，切斷控制電路的電源從而達(dá)到切斷電動機(jī)電源、保護(hù)電動機(jī)的目的[5]。

3 人機(jī)界面設(shè)計

通過WinCC 搭建人機(jī)交互界面，從而實現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)顯示與多樣化控制的功能。WinCC 基本系統(tǒng)具有各種標(biāo)準(zhǔn)功能，入過程值的監(jiān)測與控制，事件觸發(fā)與確認(rèn)，測量值與消息的通知與記錄，以及用戶管理等等。人機(jī)交互監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具備以下特點。

（1）空壓機(jī)遠(yuǎn)程啟停控制。空壓機(jī)運行系統(tǒng)可實現(xiàn)自動控制與手動控制切換的功能。在自動控制下，根據(jù)編寫好的空壓機(jī)啟停程序，使螺桿式空壓機(jī)在管道氣壓高于設(shè)定值時，按照設(shè)定的順序自動減載相應(yīng)螺桿機(jī)；在管道氣壓低于設(shè)定值時，按照設(shè)定的順序自動加載相應(yīng)螺桿機(jī)。并且變頻機(jī)在低轉(zhuǎn)速時自動減載螺桿機(jī)。同時系統(tǒng)還應(yīng)該具有故障情況下的保護(hù)性停機(jī)，比如螺桿機(jī)電機(jī)溫度超出設(shè)定的安全值時，應(yīng)立即報警并自動減載該故障螺桿機(jī)。

（2）實時數(shù)據(jù)檢測。各空壓機(jī)應(yīng)該有各自的空壓機(jī)數(shù)據(jù)實時顯示畫面，當(dāng)點擊某空壓機(jī)圖標(biāo)畫面是即可顯示該空壓機(jī)數(shù)據(jù)顯示窗口，顯示該螺桿機(jī)內(nèi)三相電機(jī)的相電壓、相電流、有功功率以及功率因數(shù)，電機(jī)與潤滑系統(tǒng)溫度，螺桿機(jī)產(chǎn)氣速率等數(shù)據(jù)。并且可顯示并記錄當(dāng)前空壓機(jī)產(chǎn)氣量與用電量比值，用來呈現(xiàn)該螺桿機(jī)運行效率。由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)組成的空壓機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)，可利用WinCC 腳本系統(tǒng)編寫腳本，從而計算想要的數(shù)據(jù)。

（3）空壓機(jī)組形象展示。可采用模擬圖片素材與動畫效果展現(xiàn)空壓機(jī)組運行畫面，可使用WinCC 提供的庫文件進(jìn)行編制，并使用WinCC 自帶的腳本功能編制腳本，實現(xiàn)自己想要的顯示功能。

（4）數(shù)據(jù)查詢與報表記錄。使用OPC 通信技術(shù)，可實現(xiàn)以上位機(jī)為服務(wù)器的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，并利用sql 數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與存儲，并使用WinCC 報表系統(tǒng)制作相應(yīng)數(shù)據(jù)的日報表與月報表，記錄空壓機(jī)內(nèi)各項監(jiān)測數(shù)據(jù)與壓縮空氣壓力與流量數(shù)據(jù)。

（5）報警保護(hù)機(jī)制。當(dāng)空壓機(jī)電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)超出安全范圍時，若不及時發(fā)出報警并通知相關(guān)負(fù)責(zé)人，會有較大的安全隱患與供氣風(fēng)險，從而影響生產(chǎn)。首先可設(shè)置聲光報警機(jī)制，當(dāng)空壓機(jī)內(nèi)部參數(shù)超出安全范圍時在上位機(jī)發(fā)出聲光報警，提醒值班人員；還可增加遠(yuǎn)程無線報警系統(tǒng)，通過短信的方式直接將報警信息發(fā)送至設(shè)備負(fù)責(zé)人的手機(jī)中。

4 結(jié)語

綜上所述，空壓機(jī)組智能群體控制技術(shù)是根據(jù)多臺不同型號的螺桿式空壓機(jī)同時運行的時候，所采取的一種智能化節(jié)能控制方式。與單臺或少量空壓機(jī)運行方式不同，多臺不同型號的空壓機(jī)群控控制更適用于壓縮空氣使用量較大的企業(yè)或工廠，靈活控制多臺空壓機(jī)，確保壓縮空氣供應(yīng)的智能化與節(jié)能化。