蘭家祥，張 東

（馬鋼集團姑山礦業(yè)公司，安徽馬鞍山 243084）

1 項目簡介

該項目的空壓機站由4臺水冷型螺桿式空壓機組構成，采用三菱公司FX2N PLC控制空壓機運行。原有空壓機站操作模式為：根據(jù)工藝及現(xiàn)場用風要求，操作工8:00～20:00 4臺機組全開，晚20:00～23:00停 1臺機組，23:00～次日 8:00停 3臺機組。該操作模式的弊端：開停機組的指令由調(diào)度統(tǒng)一下達，由于人工停機的不及時經(jīng)常造成部分空壓機組空載運行，不僅造成了能源的浪費，也加速了設備的老化程度，而且自動化程度較低。為了積極響應公司“機械化換人，自動化減人”的號召，降低人為的能源浪費，也為了節(jié)約人力資源成本，公司成立自動化升改小組，對4臺空壓機運行進行自動化升級改造，實現(xiàn)空壓機站的無人值守。

2 方案設計

2.1 空壓機自動控制的設計內(nèi)容

（1）采用“集散控制系統(tǒng)”的思想設計，以“4C”技術為基礎，最終達到4臺空壓機集中操作管理、分散控制的目標。

（2）增加1臺三菱FX3U PLC做主站，通過RS485主從通訊的方式采集4臺機組中PLC的運行數(shù)據(jù)，包括：空壓機電機電流、電機溫度，排氣壓力、排氣溫度等。

（3）通過主站PLC實現(xiàn)對冷卻塔冷卻風扇電機、2臺管道水泵（1用1備）的遠程啟?？刂萍斑\行電流、狀態(tài)的監(jiān)視。

（4）空壓機儲氣罐內(nèi)冷凝水排放自動控制。在4臺儲氣罐各增加1個電磁閥，通過主控PLC實現(xiàn)電磁閥自動控制功能，每天定時打開電磁閥排放儲氣罐內(nèi)冷凝水，從而確保機組安全穩(wěn)定運行。

（5）通過增加壓力式液位傳感器和壓力傳感器，并將采集的液位、壓力信號接入主控PLC的模擬量模塊，實現(xiàn)冷卻塔冷卻水液位測量，以及冷卻循環(huán)水壓力檢測，實時監(jiān)測空壓機站冷卻循環(huán)系統(tǒng)的狀態(tài)。

（6）上位機安裝WinCC 7.0軟件，設計工程組態(tài)畫面，組態(tài)畫面可實現(xiàn)以下功能：

①4臺空壓機機組的運行數(shù)據(jù)實時顯示，4臺空壓機機組、冷卻塔風扇電機、2臺管道泵的啟停狀態(tài)實時顯示，另外實時風扇電機、管道泵的電壓、電流監(jiān)測以及水塔液位的監(jiān)測。

②通過用戶密碼登錄能夠實現(xiàn)對4臺空壓機機組、冷卻塔風扇電機、2臺管道泵的遠程啟?？刂?。

③參量超限報警及故障診斷。對空壓機系統(tǒng)的供電主電流、排氣溫度 、排氣壓力、斷水等參量都設置超限報警，運行過程中一旦參量值超限，組態(tài)軟件可實現(xiàn)分類語音報警和動態(tài)畫面提示，并可將報警信息存入報警信息數(shù)據(jù)庫，供事后統(tǒng)計分析[1]。

④WinCC組態(tài)軟件設置的歷史報表、歷史曲線以圖表或曲線形式給出空壓機關鍵參數(shù)在歷史任意時刻的運行狀態(tài)及變化趨勢，以備技術人員或現(xiàn)場操控人員查詢、分析之用[1]。

2.2 自動控制項目硬件選型

表1 硬件選型清單

2.3 自動化控制通訊網(wǎng)絡設計

可編程控制器在現(xiàn)代控制中的地位日益突出，PLC在處理多控制任務的復雜控制問題時，往往需要用多臺小型PLC構成相應網(wǎng)絡，大量的工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息需要在各個PLC之間進行交換與傳輸。解決這類問題的辦法一般是根據(jù)PLC構成的網(wǎng)絡形式采用相應的通訊模式，由用戶編制相應的通訊程序。通訊程序的優(yōu)劣不僅影響PLC之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣扰c品質(zhì)，而且會涉及PLC控制系統(tǒng)的安全與可靠[2]。本項目通訊采用2層控制網(wǎng)絡結構，現(xiàn)場層采用三菱公司N:N網(wǎng)絡；此網(wǎng)絡的功能是在最多8臺FX可編程控制器之間，通過RS485通訊連接，進行軟元件相互鏈接的功能，結構簡單[3，4]，經(jīng)濟可靠，使用于此項目性價比最高，實現(xiàn)三菱FX3U主控 PLC與4臺空壓機從站PLC FX2N的數(shù)據(jù)交換。 FX3U主控PLC與調(diào)度上位機WinCC 7.0軟件采用以太網(wǎng)通訊的方式，保證遠距離通訊的數(shù)據(jù)交換速度，可靠性以及未來的可擴展性。

圖1 控制網(wǎng)絡結構圖

2.4 自動控制程序設計

2.4.1 4臺空壓機采用階梯式壓力限值設置方式

當空氣壓縮機啟動運行后，如果后端設備用氣量較大，儲氣罐和后端管路中壓縮氣壓力未達到壓力上限值，則控制器動作加載閥，打開進氣口，電機負載運行，不斷地向后端管路產(chǎn)生壓縮氣。如果后端用氣設備停止用氣，后端管路和儲氣罐中壓縮氣壓力漸漸升高，當達到壓力上限設定值時，壓力傳感器發(fā)出卸載信號，加載電磁閥停止工作，進氣口濾清器關閉，電機空載運行，由于用氣設備的工作周期或是生產(chǎn)工藝的差別，使得用氣量發(fā)生波動，所以在壓力超上限20 min后才執(zhí)行卸載命令，以避免空壓機頻繁加載、卸載動作。空壓機卸載后仍然工頻運轉，不僅浪費電能而且增加設備的機械磨損，所以當空壓機空載運行超過30 min，程序會自動停止相應空壓機的運行。當儲氣罐和后端管路中壓縮氣壓力小于下限值時，空壓機自動啟動，空壓機啟動時，加載電磁閥處于關閉狀態(tài)，加載氣缸不動作，電機空載運行，一段時間（可有控制器任意設定，在此設置為10 s）后，加載電磁閥打開，空壓機帶載運行[5]。

2.4.2 空壓機允許啟動條件設定（見圖2）

2.4.3 空壓機自動控制程序流程圖（以1#空壓機為例，見圖 3）

表2 4臺空壓機壓力限值設定 MPa

圖2 空壓機允許正常啟動條件

圖3 單臺空壓機控制邏輯圖

2.4.4 空壓機儲氣罐冷凝水自動排放程序

通過編寫程序讀取PLC的實時時鐘，每天2點開始控制1#電磁閥排放1#儲氣罐冷凝水，時間4 min，隔1 min控制2#電磁閥排放2#儲氣罐冷凝水，以此類推排放3#、4#儲氣罐。每隔6 h執(zhí)行1次自動排水。

表3 每臺儲氣罐每天排放冷凝水的時刻表

2.2.5 上位機WinCC組態(tài)畫面設計

WinCC是在生產(chǎn)和過程自動化中解決可視化和控制任務的工業(yè)技術中控系統(tǒng)。它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示消息、歸檔以及報表的功能模板，高性能的過程耦合快速的畫面更新以及可靠的數(shù)據(jù)使其具有高度的實用性。該監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)操作人員不同，設定不同的使用權限，有效地保證了系統(tǒng)操作的安全性。系統(tǒng)參數(shù)實時監(jiān)測及顯示本系統(tǒng)通過Wincc組態(tài)軟件實現(xiàn)了對空壓機運行所有參數(shù)的實時監(jiān)控，使得各空壓機當前的流量、供電參數(shù)、監(jiān)控溫度、監(jiān)控壓力等直觀動態(tài)地顯示在同一畫面上，便于監(jiān)控生產(chǎn)，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的實時管理和系統(tǒng)的可視化[6]。

本項目設計了空壓機的數(shù)據(jù)實時顯示畫面（主畫面）、報警匯總畫面、電流記錄曲線畫面、運行時間記錄畫面、操作記錄畫面、空壓機啟停控制畫面等。

圖4主監(jiān)控畫面中，將空壓機機組運行狀態(tài)可視化，調(diào)度人員可第一時間準確掌握機組運行的實時狀態(tài)。從而避免在生產(chǎn)過程中，因施工人員反映風壓低而出現(xiàn)的推諉、扯皮現(xiàn)象。

當操作人員啟?？諌簷C時，WinCC畫面會自動彈出登錄對話框，有操作權限的人才可進行操作。此操作可有效避免無關人員操作該系統(tǒng)。

該功能可在因人為操作造成設備故障或是設備事故時，用于查找責任人。

3 實施效果

3.1 空壓機實現(xiàn)運行臺數(shù)根據(jù)用氣壓力自動調(diào)節(jié)，后端設備用氣量較大，儲氣罐和后端管路中壓縮氣壓力未達到壓力上限值，則4臺空壓機會全部啟動，當后端設備用氣量較小，部分空壓機儲氣罐和后端管路中壓縮氣壓力達到壓力上限值，則部分空壓機會卸載運行直至停機，從而實現(xiàn)節(jié)約能源的目標，達到為企業(yè)降本的效果。

圖4 上位機 WinCC組態(tài)主畫面

圖5 空壓機站無人值守操作權限

圖6 空壓機無人值守操作記錄顯示

圖7 運行數(shù)據(jù)顯示

圖8 運行電流曲線顯示

從圖9中可以看出：自動調(diào)節(jié)空壓機運行臺數(shù)比人工操作調(diào)節(jié)空壓機臺數(shù)平均每天節(jié)約4.6 h。預計節(jié)約能耗：電耗=實際功率×時間/效率=（250 kW×0.6）×4.6×30/0.95=21789.1 kW·h，每月可節(jié)約電費約2萬元[7]。

3.2 空壓機實現(xiàn)了自動運行。調(diào)度能夠通過上位機實時監(jiān)控4臺空壓機運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了以自動控制為主，調(diào)度遠程干預控制為輔的運行模式，從而撤銷了4人的空壓機崗位，預計節(jié)約人力資源成本為每年約25萬元。

3.3 空壓機能夠根據(jù)管道氣壓及時自動啟停，保證管道氣壓調(diào)節(jié)及時，有效地保證了井下錨桿、錨索支護效率。

圖9 空壓機人工調(diào)節(jié)與自動調(diào)節(jié)每天的運行總時間對比

4 創(chuàng)新點

（1）空壓系統(tǒng)的整體自控有效地保持系統(tǒng)內(nèi)空氣壓力穩(wěn)定。

（2）整體的負載平衡，減少排氣放空，可以節(jié)約更多的能源。

（3）無人操作，節(jié)省人力成本。

（4）可以實時地記錄空壓機運行數(shù)據(jù)和報警，如重故障、通訊故障、壓力等。 （5）空壓機儲氣罐冷凝水每天按照規(guī)定時間節(jié)點自動排水。

5 應用情況

本項目在2017年1月實施完成至今，安全運行效果良好，空壓機自動控制運行有效，并且撤銷了4人的空壓機班組，取得良好的應用效果。

6 社會效益

空壓機的自動化運行控制，特別是儲氣罐冷凝水的自動定時排放，不僅比人工控制更節(jié)能，而且可以節(jié)約人力資源成本，是生產(chǎn)企業(yè)節(jié)能降耗及成本節(jié)約的一種有效手段，具有很好的推廣應用價值。