壓縮機控制系統中自動化技術的應用分析

吳達晟，王 歡，帥 輝

（杭州杭氧壓縮機有限公司，浙江杭州 311305）

0 引言

壓縮機需要一套完整的監測系統，在PLC 和組態軟件的基礎上，可更好地提高壓縮機等工業生產設備的自動化程度。系統具有數據顯示、停機報警，并利用PID 頻率轉換器進行負載調整的往復壓縮機自控系統。選擇控制系統的硬件，編寫PLC 程序，利用西門子S7-300 PLC 測試壓氣機性能，利用MCGS 組態軟件為用戶提供可以展示往復壓縮機控制信息的人機界面，讓用戶可以對這些信息進行及時的監測，同時也可以了解到往復壓縮機各個部件的壓力、溫度、振動等情況，從而可以對裝置的運行情況做出一個準確的判定。

1 自動化技術在壓縮機中的應用

壓縮機屬于可以壓縮空氣，以增加空氣的壓力，或是輸送空氣的機械，根據其能量轉化的方法有兩種，一種是功率型，另一種是容量型。在使用時，必須要掌握好氣壓的高低，若不注意氣壓的高低，很容易造成氣壓過高，造成機械損傷。因此，對壓縮機進行了兩項工作，一是通過對其性能進行調整，以使其能夠與網絡特征相匹配，并基于網絡的變化來調整其對控制系統進行調整；二是為了避免在壓力太大時，壓縮機對機械造成損害。

在壓縮機控制系統中，自動化技術的應用主要包括以下3 個方面：①監控系統。壓縮機控制系統中的監控系統主要包括工業以太網、現場總線等。監控系統能夠對壓縮機控制系統進行全面監控，使其更加直觀地顯示在操作人員面前。當設備發生故障時，監控系統能夠及時發出報警信息，提醒工作人員檢查設備狀態；②自動化控制技術。自動化技術在壓縮機控制系統中的應用主要包括：根據壓縮機控制系統的需求對相關設備進行合理選擇；根據壓縮機控制系統的運行要求設置控制參數；對壓縮機設備進行定時保養；通過自動化技術來實現遠程操控和監測等；③自動保護功能。自動保護功能能夠使設備發生故障時自動發出報警信息，從而使操作人員及時采取措施進行處理，避免因故障而影響到生產的正常進行。

2 系統總體方案設計

以2D10-7.6/25-45 D 壓縮機為例，采用兩組兩缸二級壓縮、雙向動作。其中，進氣和排氣口均是所采用的上進下出的方式。每一個圓筒都與進口和出口的緩沖器相連。該壓縮機裝由PLC 控制器，可實現對往復壓縮機參數的反饋、報警和安全連鎖控制。該控制系統由PLC、觸摸屏、變送器、PLC 和觸摸屏的程序軟件組成。為實現壓氣機的控制，將該控制器被分割為2 個主要部分，一是控制器單元，另一個部分對空氣膜調節閥的開度進行控制其監測部分，主要為復式壓縮機各類實時的參數，如進氣口的溫度、排氣口的溫度、氣口的壓力、排氣口的壓力、潤滑油的壓力、潤滑油的溫度等。根據信號種類的不同，配有相應的接線盒。DCS 與PLC 控制系統之間的通信接口是由PLC 控制箱中的接口連接起來的。所有的壓力、液位傳感器都是由帶有液晶顯示的智能傳感器組成。控制系統的工作原理如圖1 所示。

圖1 控制系統原理

3 硬件系統設計

在復式壓縮機控制系統中，硬件設計包括選型和設計兩個方面：在選型過程中，主要包括PLC、傳感器、上位機以及電纜的選擇，在設計過程中，包括PLC 箱體的內部結構的設計等。S7-300 型PLC 是由西門子公司所開發，為采用模塊化結構的小型可編程控制器。監控變量表見表1，由眾多模塊組成，包括所需控制的點數配置電源模塊、CPU 模塊、開關量輸入DI 模塊、開關量輸出DO 模塊、模擬量輸入AI 模塊、模擬量輸出AO 模塊、RTD 模塊等。PLC 的硬件構成，其中包括CP341的串口通信模塊，可根據數值不同，配置IM365 的擴展模塊，RS485 與DCS 相連，實現PLC 與上級監控計算機之間的通信，采用繼電器模塊，使PLC 和其他重要的硬件設備，在PLC 的控制柜內，進而實現輸入、轉換、控制、輸出等功能。

表1 監控變量表

4 軟件系統設計

4.1 PLC 編程設計

PLC 軟件編程使用西門子STEP-7 V5.6 編程軟件，支持LAD、FBD 和STL 三種編程語言。此軟件可在硬件配置界面選擇所需硬件及組態方式。圖2 展示了程序的編寫的總體構思，具體控制流程如下。

圖2 控制流程

系統采用PLC 控制器，采用STEP-7 程序，實現數據反饋、超值報警和停機。根據監控點數和類別，給出I/O 地址分配見表2，該控制系統主要采集模擬量信號數據。OB1 是程序中的軟件編程組織塊中的主程序，它能夠對系統中涉及到的子程序塊進行調用，在CPU開始工作之后，0B1 主程序進行循環執行，并將0B1 在主程序中調用的各類子程序功能塊，從而完成相應的控制任務。為了確保系統的通信性能，在設計中使用了315-2 DP 芯片，該芯片將DP 芯片與MPI 芯片整合在一起，達到了系統的通信需求。

表2 I/O 地址分配

4.2 人機界面設計

項目擬采用MCGS 組態系統來實現系統的人機聯系，MCGS 組態系統具備對實時信息進行明確反饋、可為系統的自動化環境配置驅動等優勢，它的優點是選項較多、操作接口易用性較強，同時還可以在國內自主研發的儀器上實現對系統數據的獲取與處理。在裝置窗口中查找PLC 相應的機型，利用軟件上的通道連接功能，將PLC 和PC 之間的數據以圖像、曲線等形式展示在控制面板中。

5 PID 變頻調節

將PID 控制添加到往復壓縮機的負載調整中，以輸入信號r（t）和輸出信號y（t）之差為該裝置的偏離信號。在PID 調整的影響下，PID 控制器對誤差信號進行求解，y（t）是其根據權重形成的系統控制信號結果，并最終被發送到受控對象進行控制，形成完整的PID 控制系統。在控制工程中，PID 控制器又稱PID 調節器，其具有可以按照精度改變來調整比例、積分和微分參數自動控制的功能，也就是PID 調節器，其結果控制流程為：

PID 調節器的通用數學表達式為：

將其轉化為數學模型：

其中，ki、Td分別為積分作用系數與微分作用系數。

為了提高輸出油壓力的平穩性，引入PID 控制。壓縮機的負載通過頻率轉換來調整。采用管網進口壓力的真實數值來設定變頻器的提升速度，從而實現變頻器的調速。變頻器有3 種工作模式：①手動開啟變頻器，變頻器的調速幅度為50%～100%。與環路調整相結合，人工將其調整至指定狀態。由DCS 向PLC 傳送數據，設定手柄的可變頻率；②在最終反壓為正態（最終排出壓力大于最終管網壓力0.1 MPa）的情況下，利用PLC 對最終排出壓強進行PID 調整，實現對最終排出壓強的可變控制；③當最終階段的負壓很小（最終排放的氣體比最終管網的氣體壓力要小0.1 MPa）時，根據最終階段的氣體流動情況，由PLC 對最終階段的氣體流動情況進行PID 調整，實現3 種狀態下工作的平穩轉換。在起動過程中，先人工調節起動頻率，當起動過程中其他工作模式所需條件到達時，再轉換成其他兩種工作模式。

6 結束語

為解決傳統壓縮機故障率高、穩定性，在研究傳統壓縮機的基礎上對整個壓氣機系統進行再設計；為確保各類信息的精確收集和傳遞，構建壓縮機硬件體系；在此基礎上，實現對該控制系統的軟件開發。使用西門子STEP7 V5.6，擴大應用前景，使用MCGS 組態軟件開發程序，提高適應性，使用了PID控制器調整負荷，增強穩定性。采用2D10-7.6/25-45氣體壓氣機進行監控，結果表明，與常規的監控方法比較，本設計能夠實現壓縮機的實時監控和故障診斷，對提高壓縮機自動化及降低系統故障率具有重要意義。