溫雪媛，李盛健，熊銳博，藍小棚，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（簡稱空壓機）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。

空壓機主要分為螺桿式空壓機與離心式空壓機。螺桿式空壓機主要特點是體積較小，易損件較少便于維護，進排氣均勻且無壓力脈沖。離心式空壓機主要特點是體積較大，維護、操作要求較高，排氣量變化會對機械運行效率產(chǎn)生較大影響。螺桿式空壓機相較于離心式空壓機單位功耗產(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與螺桿式空壓機，設(shè)定不同的空壓機加載組合來應(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、操作空壓機啟停響應(yīng)時間慢、空壓機操作不當(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 組成的計算機控制系統(tǒng)對空壓機進行關(guān)鍵信號采集，對空壓機進行遠程監(jiān)測、控制、報警與數(shù)據(jù)記錄?？刂葡到y(tǒng)中下位機選用西門子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。由于控制器的可擴展和靈活設(shè)計特點，其通信接口符合工業(yè)通信標準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)上位機選用符合企業(yè)要求的普通微型計算機，可在該計算機內(nèi)安裝SIMATIC WinCC V7 組態(tài)軟件，搭建人機交互界面從而實現(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?；鞠到y(tǒng)中的歷史數(shù)據(jù)歸檔以較高的壓縮比進行長期數(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)空壓機群組智能控制?？諌簷C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 傳送至上位機程序接口，經(jīng)變送以PLC 標準信號形式傳送至上位機。系統(tǒng)通過在壓縮機的排氣口安裝壓力及溫度傳感器，對壓縮機的排氣壓力和溫度進行監(jiān)測并對冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和電機等的溫度數(shù)據(jù)進行采集。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)送到上位機程序接口，其他信號通過PLC 標準信號上傳至上位機。本系統(tǒng)監(jiān)測壓縮機排氣壓力和溫度，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)動機的溫度、壓力數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C?？刂乒癜藛⑼o源信號、運行燈、報警燈等開關(guān)量信號，以及電動機的電量參數(shù)等模擬量信號[2]。

變頻器在空壓機的運行中起著變頻啟動、穩(wěn)定供風(fēng)、保護設(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，造成了電機額定功率下的溫升增加等。在空壓機運行中，變頻器起到變頻啟動、穩(wěn)定供氣、保護設(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)致在電機額定功率內(nèi)溫升增加等問題。

1.2 空壓機節(jié)能群控系統(tǒng)原理

空壓機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，空壓機組為供氣端，廠區(qū)用氣設(shè)備為用氣端，空壓機組為廠區(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。壓縮空氣壓力進行變化時，可優(yōu)先使用裝有變頻機的大功率螺桿式空壓機應(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進行調(diào)控；為保障生產(chǎn)安全，當(dāng)空壓機存在安全系數(shù)超出安全范圍時立即減載該空壓機并加載合適的空壓機，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，從而達到減少耗電量的目的?？諌簷C群控節(jié)能措施主要為以下3 點：螺桿式空壓機輪換啟停機制、變頻機自動調(diào)控、特定情況自動開關(guān)機。螺桿式空壓機輪換啟停機制作用為避免某一空壓機因氣壓波動頻繁加減載，導(dǎo)致空壓機損耗增加；變頻機自動控制作用為通過PID 控制，使空壓機電機頻率自動變化，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)機作用為當(dāng)空壓機內(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保持氣壓穩(wěn)定，避免空壓機問題運行時間過長導(dǎo)致空壓機電機損壞，產(chǎn)生不必要的損失。以下為空壓機節(jié)能群控具體措施。

圖2 壓縮空氣供給平衡

1.2.1 螺桿式空壓機輪換啟停機制

螺桿式空壓機輪換啟停機制功能可以實現(xiàn)多臺螺桿式空壓機循環(huán)處于加載待機狀態(tài)。螺桿式空壓機若頻繁進行加減載動作，對空壓機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。

空壓機加減載是空壓機正常運作的一部分，但空壓機頻繁加減載會對空壓機造成大的傷害?？諌簷C頻繁加卸載會導(dǎo)致進氣閥、泄放閥、氣缸、最小壓力閥等閥門損壞。當(dāng)空壓機頻繁加減載，空壓機電機在輕重負載頻繁更換的整個過程中需要很長時間，會嚴重損壞電機和主機滾動軸承。與此同時空壓機耗電量增加，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，在上位機的微型計算機處可編寫程序，實現(xiàn)多臺小螺桿機輪換處于加載待機狀態(tài)。即當(dāng)前設(shè)置一種螺桿機加減載順序，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；每隔1h，改變一次螺桿機加減載順序，使得不同的螺桿機均可存在啟停機會，而不是頻繁啟停某個螺桿機，從而避免出現(xiàn)頻繁加載某一螺桿機的情況。

1.2.2 變頻機自動調(diào)控

變頻機一般都安裝在較大功率的螺桿機，該功能可以根據(jù)變頻機的具體情況，實現(xiàn)對大功率螺桿機的合理控制。利用模糊PID 技術(shù)，控制變頻機的轉(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)進行實時調(diào)整。由此可實現(xiàn)變頻機穩(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

該功能可在特定情況下使小空壓機機自動加減載。當(dāng)空壓機出現(xiàn)電機溫度過高或電流過高時，此時會在上位機處的人機交互界面進行報警，該空壓機將進入危險的運行環(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)報警的空壓機或開啟其他空壓機保證壓縮空氣壓力，會對空壓機造成較大損壞，且可能會對企業(yè)生產(chǎn)造成較大影響。因此出現(xiàn)空壓機警報信號時，可利用程序使得出現(xiàn)報警信號的空壓機及時卸載，并根據(jù)螺桿式空壓機輪換加載待機程序，及時加載已經(jīng)處于加載待機的螺桿式空壓機，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行擴展，本文選擇的為CPU 1211C?？稍谌蜟PU 的前方加入一個信號板，輕松擴展數(shù)字或模擬量I/O，同時不影響控制器的實際大小?？蓪⑿盘柲K連接至CPU 的右側(cè)，進一步擴展數(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到切斷電動機電源、保護電動機的目的[5]。

3 人機界面設(shè)計

通過WinCC 搭建人機交互界面，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)具有各種標準功能，入過程值的監(jiān)測與控制，事件觸發(fā)與確認，測量值與消息的通知與記錄，以及用戶管理等等。人機交互監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具備以下特點。

（1）空壓機遠程啟停控制。空壓機運行系統(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)編寫好的空壓機啟停程序，使螺桿式空壓機在管道氣壓高于設(shè)定值時，按照設(shè)定的順序自動減載相應(yīng)螺桿機；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。并且變頻機在低轉(zhuǎn)速時自動減載螺桿機。同時系統(tǒng)還應(yīng)該具有故障情況下的保護性停機，比如螺桿機電機溫度超出設(shè)定的安全值時，應(yīng)立即報警并自動減載該故障螺桿機。

（2）實時數(shù)據(jù)檢測。各空壓機應(yīng)該有各自的空壓機數(shù)據(jù)實時顯示畫面，當(dāng)點擊某空壓機圖標畫面是即可顯示該空壓機數(shù)據(jù)顯示窗口，顯示該螺桿機內(nèi)三相電機的相電壓、相電流、有功功率以及功率因數(shù)，電機與潤滑系統(tǒng)溫度，螺桿機產(chǎn)氣速率等數(shù)據(jù)。并且可顯示并記錄當(dāng)前空壓機產(chǎn)氣量與用電量比值，用來呈現(xiàn)該螺桿機運行效率。由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)組成的空壓機相關(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）空壓機組形象展示?？刹捎媚M圖片素材與動畫效果展現(xiàn)空壓機組運行畫面，可使用WinCC 提供的庫文件進行編制，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)以上位機為服務(wù)器的數(shù)據(jù)遠程傳輸，并利用sql 數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行采集與存儲，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）報警保護機制。當(dāng)空壓機電機關(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)置聲光報警機制，當(dāng)空壓機內(nèi)部參數(shù)超出安全范圍時在上位機發(fā)出聲光報警，提醒值班人員；還可增加遠程無線報警系統(tǒng)，通過短信的方式直接將報警信息發(fā)送至設(shè)備負責(zé)人的手機中。

4 結(jié)語

綜上所述，空壓機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運行方式不同，多臺不同型號的空壓機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，確保壓縮空氣供應(yīng)的智能化與節(jié)能化。