桑巖青，韓 強(qiáng)

（東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

目前，在國(guó)內(nèi)大多數(shù)企業(yè)中，對(duì)空壓站內(nèi)所有設(shè)備的控制方式均為人工控制、單機(jī)運(yùn)行，設(shè)置空壓機(jī)運(yùn)行參數(shù)時(shí)，需要到現(xiàn)場(chǎng)操作，同時(shí)，用氣車間對(duì)壓縮氣體的壓力值有所要求，由于不能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的用氣量進(jìn)行空壓機(jī)的工作狀態(tài)控制，由此產(chǎn)生了壓縮氣體壓力不穩(wěn)定以及電能的極大浪費(fèi)。因此，一套完善的空壓機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)不僅可以遠(yuǎn)程設(shè)置運(yùn)行參數(shù)，使得操控人員的操控步驟簡(jiǎn)單化，而且還會(huì)根據(jù)用氣車間的用氣量，控制空壓站內(nèi)空壓機(jī)的工作狀態(tài)以及相關(guān)時(shí)間參數(shù)，以保證壓縮氣體的壓力保持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)，從而達(dá)到恒壓控制、節(jié)能環(huán)保、節(jié)約人力資源的目的。

1 研究的空壓站簡(jiǎn)介

某制管廠的空壓站內(nèi)，有6臺(tái)美國(guó)壽力TS32S-400NWC螺桿式空氣壓縮機(jī)、6臺(tái)冷干機(jī)以及水泵、冷卻塔等設(shè)備。計(jì)劃4臺(tái)空壓機(jī)常用，2臺(tái)備用。壓縮氣體的用途是給半成品的鋼塑管進(jìn)行噴砂處理。其中空壓機(jī)主要參數(shù)有公稱容積流量為57.1 m3/min，額定排氣壓力為0.8 MPa，最大排氣壓力為0.86 MPa，機(jī)組輸入比功率為 5.9 kW/（m3·min-1），電動(dòng)機(jī)功率為300 kW，額定轉(zhuǎn)速為1489 r/min。

要保證用氣車間的正常工作，壓縮氣體的壓力必須保持在0.6.MPa以上，但是由于用氣車間有6條噴砂處理流水線，有時(shí)會(huì)部分工作，處理的管件尺寸不同，用氣量也不同，并且在噴砂完成更換下一批管件期間不需要用氣，因此，用氣車間的用氣量是不穩(wěn)定的，這也使得對(duì)空壓站內(nèi)設(shè)備的控制要求更高。

2 控制系統(tǒng)與控制方式

由于本空壓站涉及到的機(jī)器以及需要通訊的相關(guān)數(shù)據(jù)較多，因此考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性與控制的精確性，控制系統(tǒng)的CPU選擇西門子PLC-S7-300，I/O控制空壓機(jī)的啟動(dòng)停止、加載卸載；通過(guò)Modbus-RTU通訊方式讀取空壓機(jī)狀態(tài)參數(shù)并且發(fā)送需要設(shè)置的參數(shù)；冷干機(jī)與水泵自身均以西門子PLC-200作為控制從站，與PLC-300之間通過(guò)Profibus進(jìn)行通訊，PLC-300給冷干機(jī)和水泵系統(tǒng)發(fā)送啟動(dòng)與停止命令，給各空壓機(jī)發(fā)送啟動(dòng)、停止、加載、卸載等命令。

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程借鑒軟件工程中慣用的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法以提高編程效率。該系統(tǒng)由于控制邏輯復(fù)雜，程序循環(huán)中具有判斷和跳轉(zhuǎn)情況。針對(duì)這種情況為了提高軟件的邏輯性和程序的可讀性項(xiàng)目從需求分析階段概念設(shè)計(jì)階段程序編寫階段直至最終的調(diào)試驗(yàn)收等過(guò)程都將強(qiáng)調(diào)程序的結(jié)構(gòu)性。通過(guò)前期規(guī)劃和項(xiàng)目分析最終將邏輯控制部分劃分為輸入輸出模塊、空壓機(jī)控制模塊、順序切換模塊、通訊模塊、報(bào)警模塊等部分。

控制模式分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，手動(dòng)模式下，由PLC發(fā)送啟動(dòng)、停止命令到各個(gè)設(shè)備。自動(dòng)模式時(shí)，程序按圖1所示流程編寫。啟動(dòng)系統(tǒng)后，由于沒(méi)有空壓機(jī)啟動(dòng)，需要用氣時(shí)，首先開啟1臺(tái)空壓機(jī)并加載，T1時(shí)間后，根據(jù)傳感器傳回的總管壓力值，與設(shè)定好的最低總管壓力值進(jìn)行比較，低于最低總管壓力值，則再開啟1臺(tái)，高于最低總管壓力且不高于最高總管壓力，則延時(shí)T2，然后與調(diào)節(jié)壓力作比較，若低于調(diào)節(jié)壓力，且此時(shí)沒(méi)有已經(jīng)啟動(dòng)的空壓機(jī)，則啟動(dòng)并且加載1臺(tái)，若高于調(diào)節(jié)壓力且低于最高壓力，則繼續(xù)延時(shí)T2，若高于最高壓力，則會(huì)卸載1臺(tái)，如此循環(huán)，卸載的空壓機(jī)達(dá)到卸載停機(jī)時(shí)間后將停機(jī)。空壓機(jī)的開啟順序根據(jù)所有空壓機(jī)的累計(jì)加載時(shí)間判斷，加載時(shí)間越短的空壓機(jī)優(yōu)先級(jí)越高，下次有啟動(dòng)或加載信號(hào)時(shí)，將最先被啟動(dòng)，由此保證了所有空壓機(jī)的運(yùn)行加載時(shí)間均衡。

圖1 自動(dòng)控制流程Fig.1 Automatic control flow chart

控制程序采用模塊化編程的思路，由1個(gè)主程序和若干個(gè)實(shí)現(xiàn)特定功能的子程序組成。主程序負(fù)責(zé)機(jī)組的啟?？刂?、加卸載運(yùn)行時(shí)間的統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)定時(shí)存儲(chǔ)及對(duì)各個(gè)功能模塊（子程序）的調(diào)用[1]。

3 參數(shù)自整定的模糊控制模塊的設(shè)計(jì)

3.1 模糊控制器的結(jié)構(gòu)

由控制系統(tǒng)的邏輯流程可知，在整個(gè)循環(huán)的過(guò)程中，總管壓力（總管壓力傳感器安裝在儲(chǔ)氣罐出口處）是整個(gè)系統(tǒng)的參考變量，控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)總管壓力與設(shè)定值的比較來(lái)確定空壓機(jī)的工作狀態(tài)以及開啟數(shù)量，但是，時(shí)間參數(shù)T1和T2則影響著開啟（加載）或卸載下一臺(tái)的判斷時(shí)間，對(duì)于這2個(gè)時(shí)間值的確定，采用程序中編寫的模糊控制程序自動(dòng)確定，以總管壓力的變化速率為依據(jù)，實(shí)時(shí)改變T1、T2的值來(lái)適應(yīng)變化的生產(chǎn)用氣量。

模糊控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。理論上，模糊控制所接收的控制信號(hào)是連續(xù)型的，但在工程上，模糊控制是由數(shù)字計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以在實(shí)際應(yīng)用中采用的是一種離散型的模糊控制器，總管壓力反饋信號(hào)通過(guò)模擬量模塊轉(zhuǎn)換后再送入控制器[2]。

圖2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of fuzzy controller

圖3所示的控制器結(jié)構(gòu)由4部分組成：①規(guī)則庫(kù)。將專家語(yǔ)言所描述的成功控制經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行量化得到模糊控制規(guī)則；②推理機(jī)。模仿專家決策，對(duì)控制對(duì)象怎樣可以控制最好的知識(shí)做出解釋和應(yīng)用；③模糊化接口。模糊控制器的輸入接口，將控制器的輸入轉(zhuǎn)換成一種信息，使得推理機(jī)容易激活和應(yīng)用相關(guān)的規(guī)則[2]；④反模糊化接口。將推理結(jié)果轉(zhuǎn)換成過(guò)程或是控制對(duì)象的實(shí)際輸入。

該系統(tǒng)模糊控制器的功能根據(jù)實(shí)時(shí)的總管壓力變化速率，根據(jù)規(guī)則庫(kù)給出合適的時(shí)間參數(shù)，使系統(tǒng)響應(yīng)效率更高。程序中，每3 s采集1次總管壓力并與前一次采集的壓力作差，該壓差便可表示總管壓力變化速率，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)際運(yùn)行調(diào)試后，將規(guī)則庫(kù)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 模糊控制器規(guī)則庫(kù)Tab.1 Fuzzy controller rule base

在整個(gè)程序運(yùn)行時(shí)，模糊控制程序會(huì)根據(jù)壓力變化實(shí)時(shí)改變循環(huán)中的時(shí)間參數(shù)，從而改變響應(yīng)時(shí)間，從圖3可以看到，設(shè)置最低調(diào)節(jié)壓力為0.75MPa，最高壓力為0.78 MPa，不采用本控制器，時(shí)間參數(shù)固定設(shè)置為35 s與15 s時(shí)，輸出壓力曲線為圖3中的虛線，采用該控制器時(shí)，輸出壓力曲線為圖3中的實(shí)線，對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，采用該模糊控制器時(shí)，輸出壓力更加穩(wěn)定且壓力值不會(huì)超過(guò)設(shè)置的范圍。

圖3 輸出壓力曲線對(duì)比Fig.3 Compare of the output pressure curve

3.2 模糊控制器與程序的完善

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)壓力變化與對(duì)應(yīng)的時(shí)間參數(shù)進(jìn)行調(diào)整修改，以保證調(diào)節(jié)精度達(dá)到最高，同時(shí)，由于用氣量車間用氣量不穩(wěn)定，因此有時(shí)啟動(dòng)多臺(tái)空壓機(jī)，待壓力達(dá)到最高時(shí)，又卸載多臺(tái)，這樣的現(xiàn)象主要由于邊加載邊用氣，有時(shí)壓力上升緩慢，達(dá)到設(shè)定時(shí)間后，仍未達(dá)到最低壓力或調(diào)節(jié)壓力，則會(huì)繼續(xù)開啟或加載下一臺(tái)，壓力達(dá)到最高后，有機(jī)器卸載，如果壓力下降緩慢，達(dá)到設(shè)定時(shí)間后壓力仍未下降至最高壓力以下，因此會(huì)持續(xù)卸載正在運(yùn)行的空壓機(jī)，由此產(chǎn)生了額外的電能浪費(fèi)和機(jī)器損耗，因此，在邏輯流程中，加入壓差判斷條件，將總管壓力值每3 s做一次差，如圖4所示。無(wú)論從壓力最低開始啟動(dòng)系統(tǒng)還是達(dá)到最高壓力判斷是否卸載時(shí)，均同時(shí)判斷總管壓力差。如壓力從最低開始，有1臺(tái)機(jī)器加載，經(jīng)過(guò)T1時(shí)間后，如此時(shí)壓力仍未超過(guò)最低壓力，但是壓差大于零，說(shuō)明此時(shí)從管壓力已經(jīng)在上升，因此不會(huì)開啟下一臺(tái)，同時(shí)，配合模糊控制器，該情況下模糊控制器會(huì)將自動(dòng)流程中的35 s與15 s適當(dāng)改變。這樣在原自動(dòng)控制方式的前提下，又進(jìn)一步節(jié)省了電能消耗。

圖4 完善后系統(tǒng)流程Fig.4 Flow chart of system perfected

4 組態(tài)界面設(shè)計(jì)與能源監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)

4.1 組態(tài)界面設(shè)計(jì)

一個(gè)良好的控制系統(tǒng)，配合友好的人機(jī)操作界面，才能達(dá)到理想的控制效果，因此，此控制系統(tǒng)配合西門子WinCC V7.0軟件進(jìn)行編程與組態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各機(jī)器的控制以及相關(guān)參數(shù)的顯示。當(dāng)機(jī)器發(fā)生故障報(bào)警時(shí)，界面會(huì)顯示報(bào)警內(nèi)容，讓維修人員明確故障出現(xiàn)位置。每個(gè)工作日結(jié)束，可通過(guò)界面打印設(shè)備參數(shù)的日?qǐng)?bào)表。便捷的數(shù)據(jù)查詢，可查看一年內(nèi)的機(jī)器運(yùn)行數(shù)據(jù)。界面實(shí)時(shí)顯示每臺(tái)機(jī)器的用電總量，便于管理人員與投入預(yù)算進(jìn)行對(duì)比分析，了解節(jié)能情況。上位機(jī)主界面與空壓機(jī)控制界面如圖5所示。

圖5 上位機(jī)界面Fig.5 PC interface

4.2 能源監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)場(chǎng)采集的空壓機(jī)電壓與電流趨勢(shì)如圖6所示。曲線1代表電壓值，曲線2代表電流值，可以觀察到，很小的一段時(shí)間內(nèi)，空壓機(jī)的電流和電壓不會(huì)出現(xiàn)明顯的變化，這說(shuō)明空壓機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)的狀態(tài)是穩(wěn)定的，因此，每隔1 s記錄一次電壓與電流的值，根據(jù)公式可以算出1s中該空壓機(jī)的電能消耗。

圖6 空壓機(jī)電壓與電流趨勢(shì)Fig.6 Compressor voltage and current trends

根據(jù)每臺(tái)空壓機(jī)的瞬時(shí)電壓與瞬時(shí)電流可算出空壓機(jī)的瞬時(shí)功率：

式中：U為空壓機(jī)的瞬時(shí)電壓，V；Ic為空壓機(jī)的瞬時(shí)電流，A；cosφ為功率因數(shù)，這里 cosφ=0.875。 則在t時(shí)間內(nèi)，取t=1 s，即 t=1/3600 h，空壓機(jī)的電能消耗為

則該空壓機(jī)的累計(jì)電能消耗為

由于每秒記錄1次，在上位機(jī)界面將記錄的電壓與電流值帶入公式計(jì)算出該秒的電能消耗，通過(guò)在程序中的累加程序，計(jì)算出該空壓機(jī)的當(dāng)前累計(jì)能耗，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，每小時(shí)功耗在280～330 kW·h，與空壓機(jī)所給參數(shù)吻合。

現(xiàn)場(chǎng)配有6臺(tái)冷干機(jī)，因?yàn)閴嚎s氣體通往用氣車間前，先要通過(guò)冷干機(jī)過(guò)濾。未應(yīng)用此自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，冷干機(jī)也需要人工控制，因此，不能及時(shí)控制冷干機(jī)開啟的數(shù)量，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)空壓機(jī)開啟較少臺(tái)而冷干機(jī)開啟較多臺(tái)的現(xiàn)象，而實(shí)際上，只要保證開啟的冷干機(jī)數(shù)量與開啟的空壓機(jī)數(shù)量相等即可，在沒(méi)有空壓機(jī)開啟時(shí)，則保證有1臺(tái)冷干機(jī)運(yùn)行即可。在自動(dòng)程序中，根據(jù)空壓機(jī)的運(yùn)行反饋信號(hào)，計(jì)算出當(dāng)前開啟的空壓機(jī)臺(tái)數(shù)，根據(jù)設(shè)定的啟動(dòng)順序給冷干機(jī)發(fā)送開啟命令，逐一啟動(dòng)冷干機(jī)，保證冷干機(jī)開啟數(shù)量與空壓機(jī)相同，同時(shí)，開啟順序每周更換1次，6周為1個(gè)大周期，這樣就使得每臺(tái)冷干機(jī)的運(yùn)行時(shí)間相近，使其使用時(shí)間均衡。這樣就從一定程度上節(jié)省了電能消耗。

5 節(jié)能效果分析

該廠用氣車間所需壓縮空氣的最低壓力為0.6 MPa。用氣車間的用氣量是不穩(wěn)定的，因此對(duì)空壓站機(jī)器的運(yùn)行要求較高，如用氣量波動(dòng)峰值為4臺(tái)機(jī)器同時(shí)工作，最低值為1臺(tái)機(jī)器工作，那么此時(shí)空壓站需要一直開啟4臺(tái)機(jī)器，出現(xiàn)大馬拉小車的情況而且自動(dòng)化程度較低，本控制方式則是以總管壓力變化速率間接反映用氣車間的實(shí)時(shí)用氣量，并以此為依據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)，同一時(shí)間內(nèi)，最多只有1臺(tái)機(jī)器為加卸載調(diào)節(jié)狀態(tài)，控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前用氣量及時(shí)停掉空載運(yùn)行的機(jī)器，使總管壓力保持穩(wěn)定的同時(shí)，達(dá)到節(jié)能的目的。應(yīng)用該系統(tǒng)后，最低壓力設(shè)置為0.64 MPa，調(diào)節(jié)壓力設(shè)置為0.66 MPa，最高壓力設(shè)置為0.78 MPa，總管壓力趨勢(shì)圖如圖7所示。

圖7 總管壓力趨勢(shì)Fig.7 Manifold pressure Trend

該控制系統(tǒng)可以滿足用氣車間的生產(chǎn)用氣需求，同時(shí)，可以根據(jù)用氣車間的用氣量變化確定應(yīng)該工作的空壓機(jī)與冷干機(jī)數(shù)量，使一定時(shí)間內(nèi)不工作的空壓機(jī)停機(jī)。根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的情況分析，如果每天用氣量最大的時(shí)候，需要開啟4臺(tái)空壓機(jī)，用氣量最小的時(shí)候，需要開啟1臺(tái)空壓機(jī)，那么，通過(guò)程序控制，平均每臺(tái)可以減少的工作時(shí)間為20%以上，該廠6臺(tái)空壓機(jī)1年的電費(fèi)花銷在300萬(wàn)元以上，由此節(jié)省了至少60萬(wàn)元電費(fèi)，同時(shí)還節(jié)省了大量的人工成本。

運(yùn)行管理等因素都影響著空壓機(jī)的能耗情況，只有全面分析綜合考慮，選擇先進(jìn)的技術(shù)合理可行的方法和配套措施，才能確?？諌簷C(jī)節(jié)能穩(wěn)定安全的運(yùn)行。工作人員要在應(yīng)用此控制系統(tǒng)的同時(shí)，認(rèn)真做好設(shè)備的日常運(yùn)行管理和維護(hù)保養(yǎng)工作，在保障生產(chǎn)的基礎(chǔ)上節(jié)能減耗，以提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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