周康軍

（中鋁山東有限公司，山東 淄博 255052）

1 前言

中鋁山東有限公司第二氧化鋁廠有壓縮機(jī)5臺(tái)，壓縮機(jī)崗位主要負(fù)責(zé)為種分分解槽提供所需壓力的壓縮空氣、吹管道用風(fēng)、過濾機(jī)風(fēng)包用風(fēng)、氣動(dòng)閥用風(fēng)等，是第二氧化鋁廠重點(diǎn)設(shè)備。改造前設(shè)備運(yùn)行過程中，已經(jīng)暴露出很多問題，嚴(yán)重影響了壓縮機(jī)的運(yùn)行和維護(hù)。

1.1 存在問題

壓縮機(jī)的監(jiān)控不集中，每臺(tái)壓縮機(jī)單獨(dú)1套操作臺(tái)，隨著第二氧化鋁廠生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，對(duì)壓縮機(jī)的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間和投入設(shè)備數(shù)量也隨之提高，為滿足生產(chǎn)操作人員有時(shí)要同時(shí)監(jiān)控三個(gè)操作臺(tái)，工作強(qiáng)度特別大。

原控制回路全部采用繼電器聯(lián)鎖控制，應(yīng)用了大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器，機(jī)械接觸點(diǎn)很多，電氣聯(lián)鎖信號(hào)非常多，線路煩瑣復(fù)雜，容易損壞，故障率高，控制效率低?？刂苾x表全部是電-II型儀表，控制、報(bào)警參數(shù)的調(diào)節(jié)靠人為手動(dòng)，不能實(shí)現(xiàn)智能控制，所監(jiān)測(cè)的進(jìn)排氣壓力、溫度等控制參數(shù)不能進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，保護(hù)回路動(dòng)作引起壓縮機(jī)跳閘造成壓縮機(jī)不能進(jìn)行正常啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)維護(hù)人員很難查找引起系統(tǒng)動(dòng)作的原因，在系統(tǒng)的修復(fù)上存在很大的困難。

1.2 改造的必要性

電氣、儀表控制系統(tǒng)的裝備技術(shù)水平已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后，為了提高壓縮機(jī)自動(dòng)運(yùn)行的性能，在目前控制狀況的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造是很必要的。我們結(jié)合工業(yè)自動(dòng)化先進(jìn)技術(shù)和壓縮機(jī)崗位生產(chǎn)操作的特點(diǎn)，通過技術(shù)方案的比較及產(chǎn)品選型的反復(fù)論證，完成采用了高壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)器和PLC控制技術(shù)相結(jié)合的控制方式，實(shí)現(xiàn)了低成本自動(dòng)化改造措施，做到了投資省、見效快、實(shí)用性強(qiáng)，在確保壓縮機(jī)可靠運(yùn)行的前提下，對(duì)控制參數(shù)監(jiān)測(cè)采集、集中監(jiān)控、自動(dòng)控制、故障診斷等方面提出了更高的要求，完成了自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)和管理技術(shù)融為一體的自動(dòng)化系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)控制概述

壓縮機(jī)的控制主要為儀表控制設(shè)備和電氣控制設(shè)備兩部分。儀表控制設(shè)備主要包括參與壓縮機(jī)控制的壓力、溫度和電量等現(xiàn)場(chǎng)儀表。電氣控制設(shè)備主要包括主機(jī)和輔機(jī)部分。

主機(jī)是壓縮機(jī)的核心部分，也是壓縮機(jī)中最重要的設(shè)備。對(duì)于壓縮機(jī)的控制而言，就是通過現(xiàn)場(chǎng)儀表、傳感器、電氣輔助設(shè)備把所有可采集的控制信號(hào)輸入控制系統(tǒng)，進(jìn)行分析判斷，完成壓縮機(jī)的順利啟動(dòng)和在運(yùn)行過程中對(duì)壓縮機(jī)的保護(hù)，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，快速停車，以免出現(xiàn)重大設(shè)備事故。

壓縮機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，首先啟動(dòng)輔機(jī)部分，包括注油器電機(jī)、油泵電機(jī)和水泵電機(jī)，然后啟動(dòng)盤車電機(jī)，由盤車電機(jī)緩慢拖動(dòng)主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，檢查主機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)部分有無故障，如無問題則停止盤車電機(jī)，繼續(xù)檢查勵(lì)磁回路、油壓、水壓和水溫等監(jiān)控信號(hào)，條件允許則發(fā)出開車信號(hào)，啟動(dòng)主機(jī)進(jìn)入運(yùn)行階段。在運(yùn)行階段，自動(dòng)控制系統(tǒng)要分析所有的儀表信號(hào)和電氣信號(hào)，把油壓、水壓、I級(jí)排氣壓力、II級(jí)排氣壓力、進(jìn)水溫度、出水溫度、電機(jī)定子溫度、主機(jī)電流和電壓、勵(lì)磁電流和電壓等信號(hào)和設(shè)定的保護(hù)值進(jìn)行比較，同時(shí)監(jiān)測(cè)輔機(jī)和勵(lì)磁控制回路的運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)異常后，自動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)保護(hù)程序。保護(hù)按工況分為一級(jí)保護(hù)和二級(jí)保護(hù)，一級(jí)保護(hù)給出報(bào)警信號(hào)，提示操作人員快速采取措施調(diào)整壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，以免造成不必要的停車，例如水溫、I、 II級(jí)排氣溫度超高預(yù)警值；二級(jí)保護(hù)則要立即停車，例如勵(lì)磁回路故障，主機(jī)失磁等。

3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和硬件配置

系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)控制層、操作監(jiān)控層和管理層構(gòu)成。選擇西門子PLC做現(xiàn)場(chǎng)控制單元，完成壓風(fēng)機(jī)的控制任務(wù)；操作監(jiān)控層采用DELL GX320計(jì)算機(jī)做上位機(jī)操作站，顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及操作畫面；計(jì)算機(jī)設(shè)有數(shù)據(jù)庫、并入局域網(wǎng)，管理人員可以通過局域網(wǎng)進(jìn)入壓縮機(jī)控制系統(tǒng)瀏覽實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)，并據(jù)此進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化等工作，構(gòu)成了系統(tǒng)的管理層?，F(xiàn)場(chǎng)控制站與操作站之間采用RS485總線，MODBUS協(xié)議通訊；操作站、工程師站與局域網(wǎng)連接。整個(gè)系統(tǒng)可靠性高，同時(shí)又具有先進(jìn)的管理功能，而其成本較采用進(jìn)口DCS低一倍以上.系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖：

3.1 PLC系統(tǒng)硬件配置

對(duì)控制站進(jìn)行配置時(shí)，充分考慮到壓縮機(jī)的控制特點(diǎn)，必須能夠快速地響應(yīng)來自傳感器的信號(hào)，進(jìn)行判斷分析，要求控制單元必須具備強(qiáng)大的邏輯及浮點(diǎn)運(yùn)算能力，豐富的控制算法，我們選擇了CPU315-DP作為控制器，選用6ES7 321、331、322為i/o模塊，選用6GK7 343為以太網(wǎng)通訊模塊，通過IM153進(jìn)行遠(yuǎn)程I/O擴(kuò)展。

3.2 主要電氣設(shè)備和元件的選型

真空斷路器：選用ZN68-1250型，該斷路器具有壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單、無爆炸危險(xiǎn)、無污染、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，并且適用于頻繁操作等比較苛刻的工作條件。在高壓盤柜施工，拆裝簡(jiǎn)單。

勵(lì)磁裝置：選用BL31型勵(lì)磁裝置，可實(shí)現(xiàn)恒功率、恒流、恒壓功能，自動(dòng)調(diào)節(jié)性能及穩(wěn)定性和可靠性增強(qiáng)，操作人員在開車前只需要觀測(cè)，無須調(diào)解勵(lì)磁，維護(hù)及維修量降低。

高壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)器：選用施諾S310M型高壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)器，它是集可靠的保護(hù)功能、靈活的控制功能、精確的測(cè)量功能、完善的記錄功能、穩(wěn)定的通訊功能和電度計(jì)量功能于一體的智能裝置。完全可以替代中間繼電器。

低壓電氣元件：低壓斷路器、交流接觸器、熱繼電器等全部采用ABB的產(chǎn)品，有效的提高了電氣元件的可靠性。

4 自動(dòng)控制系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

4.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制系統(tǒng)從功能和結(jié)構(gòu)上進(jìn)行劃分，可分下位機(jī)系統(tǒng)和操作員系統(tǒng)兩部分。下位程序指令是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分。

4.1.1 上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控組態(tài)

控制系統(tǒng)設(shè)置2個(gè)操作臺(tái)，便于生產(chǎn)操作人員對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行過程的監(jiān)控管理，所有的運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，可以在操作臺(tái)上啟停除高壓電動(dòng)機(jī)以外的所有設(shè)備。實(shí)際設(shè)備運(yùn)行中的人機(jī)對(duì)話通過上位計(jì)算機(jī)的WINCC監(jiān)控組態(tài)軟件全面實(shí)現(xiàn)。操作員站設(shè)置有如下顯示畫面：

（1）流程畫面：將現(xiàn)場(chǎng)控制站采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)及工藝參數(shù)顯示在流程圖的相應(yīng)位置上，通過動(dòng)畫直觀的顯示壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。操作人員可根據(jù)此畫面了解整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

（2）調(diào)節(jié)畫面：將系統(tǒng)各控制回路的運(yùn)行狀態(tài)和有關(guān)參數(shù)以調(diào)節(jié)棒圖的形式顯示出來。可以顯示回路的手、自動(dòng)狀態(tài)。操作人員利用鍵盤或鼠標(biāo)方便的對(duì)各控制回路的控制參數(shù)進(jìn)行在線修正。

（3）報(bào)警畫面：用于記錄何時(shí)何地有何報(bào)警，以便有關(guān)人員查詢，同時(shí)實(shí)現(xiàn)安全報(bào)警、聯(lián)鎖控制。

（4）歷史趨勢(shì)畫面：用于記錄系統(tǒng)主要工藝參數(shù)的長(zhǎng)期歷史趨勢(shì)數(shù)據(jù)，以曲線的形式顯示出來，可為分析系統(tǒng)運(yùn)行情況及效率，查找故障等提供依據(jù)。

工程師站除具有操作站的全部功能外，還具有參數(shù)設(shè)定與修改，系統(tǒng)維護(hù)等功能?？稍O(shè)定系統(tǒng)的各模擬量測(cè)量點(diǎn)的標(biāo)度變換系數(shù)、熱電阻、熱電偶的線性化參數(shù)、孔板流量計(jì)算參數(shù)、各控制回路組態(tài)參數(shù)及PID參數(shù)等。工程師站負(fù)責(zé)系統(tǒng)的打印任務(wù)，可打印即時(shí)報(bào)警歷史報(bào)警記錄以及壓縮機(jī)運(yùn)行日志和歷史數(shù)據(jù)表格等。系統(tǒng)通過企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)，使有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)可從內(nèi)部網(wǎng)上看到壓縮機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)。

4.1.2 數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)場(chǎng)儀表采集的信號(hào)包括油壓、水壓、I級(jí)排氣壓力、II級(jí)排氣壓力、進(jìn)水溫度、出水溫度、電機(jī)定子溫度。電量信號(hào)包括主機(jī)電流、主機(jī)電壓、勵(lì)磁電流和勵(lì)磁電壓。所有的儀表信號(hào)和電量信號(hào)均參與壓縮機(jī)的保護(hù)和控制。

數(shù)據(jù)采集分析采用調(diào)用功能圖FB101進(jìn)行編程處理，F(xiàn)B101 是自行編寫的工程量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)據(jù)進(jìn)行工程量轉(zhuǎn)換后，輸送至數(shù)據(jù)值比較模塊和設(shè)定的報(bào)警值進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，為了消除干擾所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)抖動(dòng)，以免發(fā)生誤動(dòng)作，數(shù)據(jù)比較時(shí)進(jìn)行了適量時(shí)間的延時(shí)，如果采集的數(shù)據(jù)超出預(yù)警值，自動(dòng)調(diào)用數(shù)據(jù)報(bào)警處理程序。

4.1.3 網(wǎng)絡(luò)通訊

操作員站和現(xiàn)場(chǎng)控制站之間通過工業(yè)以太網(wǎng)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

4.2 電氣系統(tǒng)

系統(tǒng)中的電氣信號(hào)傳輸采用了以下方式：

電氣設(shè)備控制元件斷路器、交流接觸器、熱繼電器、電流變送器等設(shè)置于電磁站內(nèi)，來自低壓盤的開關(guān)量輸入信號(hào)系統(tǒng)配電電源的方式通過開關(guān)量輸入板直接接入控制器，不再另外設(shè)置24VDC繼電器轉(zhuǎn)換隔離。

開關(guān)量輸出通過開關(guān)量輸出板，經(jīng)24VDC繼電器隔離后以無源方式輸出。

所有電器設(shè)備的狀態(tài)顯示、故障報(bào)警、啟動(dòng)停止操作，以及有關(guān)數(shù)據(jù)的修改等全部在上位計(jì)算機(jī)集中完成。

電氣設(shè)備油泵、盤車電機(jī)、注油器電機(jī)、水泵實(shí)現(xiàn)了集中、機(jī)旁操作，高壓電動(dòng)機(jī)根據(jù)工藝要求只允許在現(xiàn)場(chǎng)開車，在操作室內(nèi)安裝了高壓電動(dòng)機(jī)急停開關(guān)，以便在突發(fā)情況下使用。

設(shè)備的啟動(dòng)停止、壓力信號(hào)的控制聯(lián)鎖邏輯、電氣程序指令以及部分設(shè)備的報(bào)警功能等存儲(chǔ)在下位控制器中。

5 應(yīng)用效果

改造后的壓縮機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定、性能優(yōu)越、維修簡(jiǎn)捷、操作方便、故障顯示清楚、故障率低、控制效果良好。投入使用后實(shí)踐證明，運(yùn)行情況良好，滿足了的工藝要求，提高了設(shè)備開動(dòng)率，降低了檢修費(fèi)用，特別是降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了企業(yè)生產(chǎn)率。