吳達(dá)晟，王 歡，帥 輝

（杭州杭氧壓縮機(jī)有限公司，浙江杭州 311305）

0 引言

壓縮機(jī)需要一套完整的監(jiān)測系統(tǒng)，在PLC 和組態(tài)軟件的基礎(chǔ)上，可更好地提高壓縮機(jī)等工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的自動化程度。系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)顯示、停機(jī)報(bào)警，并利用PID 頻率轉(zhuǎn)換器進(jìn)行負(fù)載調(diào)整的往復(fù)壓縮機(jī)自控系統(tǒng)。選擇控制系統(tǒng)的硬件，編寫PLC 程序，利用西門子S7-300 PLC 測試壓氣機(jī)性能，利用MCGS 組態(tài)軟件為用戶提供可以展示往復(fù)壓縮機(jī)控制信息的人機(jī)界面，讓用戶可以對這些信息進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)測，同時(shí)也可以了解到往復(fù)壓縮機(jī)各個(gè)部件的壓力、溫度、振動等情況，從而可以對裝置的運(yùn)行情況做出一個(gè)準(zhǔn)確的判定。

1 自動化技術(shù)在壓縮機(jī)中的應(yīng)用

壓縮機(jī)屬于可以壓縮空氣，以增加空氣的壓力，或是輸送空氣的機(jī)械，根據(jù)其能量轉(zhuǎn)化的方法有兩種，一種是功率型，另一種是容量型。在使用時(shí)，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(jī)械損傷。因此，對壓縮機(jī)進(jìn)行了兩項(xiàng)工作，一是通過對其性能進(jìn)行調(diào)整，以使其能夠與網(wǎng)絡(luò)特征相匹配，并基于網(wǎng)絡(luò)的變化來調(diào)整其對控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整；二是為了避免在壓力太大時(shí)，壓縮機(jī)對機(jī)械造成損害。

在壓縮機(jī)控制系統(tǒng)中，自動化技術(shù)的應(yīng)用主要包括以下3 個(gè)方面：①監(jiān)控系統(tǒng)。壓縮機(jī)控制系統(tǒng)中的監(jiān)控系統(tǒng)主要包括工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線等。監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)嚎s機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控，使其更加直觀地顯示在操作人員面前。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，提醒工作人員檢查設(shè)備狀態(tài)；②自動化控制技術(shù)。自動化技術(shù)在壓縮機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用主要包括：根據(jù)壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的需求對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行合理選擇；根據(jù)壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行要求設(shè)置控制參數(shù)；對壓縮機(jī)設(shè)備進(jìn)行定時(shí)保養(yǎng)；通過自動化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控和監(jiān)測等；③自動保護(hù)功能。自動保護(hù)功能能夠使設(shè)備發(fā)生故障時(shí)自動發(fā)出報(bào)警信息，從而使操作人員及時(shí)采取措施進(jìn)行處理，避免因故障而影響到生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

以2D10-7.6/25-45 D 壓縮機(jī)為例，采用兩組兩缸二級壓縮、雙向動作。其中，進(jìn)氣和排氣口均是所采用的上進(jìn)下出的方式。每一個(gè)圓筒都與進(jìn)口和出口的緩沖器相連。該壓縮機(jī)裝由PLC 控制器，可實(shí)現(xiàn)對往復(fù)壓縮機(jī)參數(shù)的反饋、報(bào)警和安全連鎖控制。該控制系統(tǒng)由PLC、觸摸屏、變送器、PLC 和觸摸屏的程序軟件組成。為實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)的控制，將該控制器被分割為2 個(gè)主要部分，一是控制器單元，另一個(gè)部分對空氣膜調(diào)節(jié)閥的開度進(jìn)行控制其監(jiān)測部分，主要為復(fù)式壓縮機(jī)各類實(shí)時(shí)的參數(shù)，如進(jìn)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(jù)信號種類的不同，配有相應(yīng)的接線盒。DCS 與PLC 控制系統(tǒng)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(tǒng)的工作原理如圖1 所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在復(fù)式壓縮機(jī)控制系統(tǒng)中，硬件設(shè)計(jì)包括選型和設(shè)計(jì)兩個(gè)方面：在選型過程中，主要包括PLC、傳感器、上位機(jī)以及電纜的選擇，在設(shè)計(jì)過程中，包括PLC 箱體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等。S7-300 型PLC 是由西門子公司所開發(fā)，為采用模塊化結(jié)構(gòu)的小型可編程控制器。監(jiān)控變量表見表1，由眾多模塊組成，包括所需控制的點(diǎn)數(shù)配置電源模塊、CPU 模塊、開關(guān)量輸入DI 模塊、開關(guān)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(gòu)成，其中包括CP341的串口通信模塊，可根據(jù)數(shù)值不同，配置IM365 的擴(kuò)展模塊，RS485 與DCS 相連，實(shí)現(xiàn)PLC 與上級監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間的通信，采用繼電器模塊，使PLC 和其他重要的硬件設(shè)備，在PLC 的控制柜內(nèi)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸入、轉(zhuǎn)換、控制、輸出等功能。

表1 監(jiān)控變量表

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 PLC 編程設(shè)計(jì)

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(tài)方式。圖2 展示了程序的編寫的總體構(gòu)思，具體控制流程如下。

圖2 控制流程

系統(tǒng)采用PLC 控制器，采用STEP-7 程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)反饋、超值報(bào)警和停機(jī)。根據(jù)監(jiān)控點(diǎn)數(shù)和類別，給出I/O 地址分配見表2，該控制系統(tǒng)主要采集模擬量信號數(shù)據(jù)。OB1 是程序中的軟件編程組織塊中的主程序，它能夠?qū)ο到y(tǒng)中涉及到的子程序塊進(jìn)行調(diào)用，在CPU開始工作之后，0B1 主程序進(jìn)行循環(huán)執(zhí)行，并將0B1 在主程序中調(diào)用的各類子程序功能塊，從而完成相應(yīng)的控制任務(wù)。為了確保系統(tǒng)的通信性能，在設(shè)計(jì)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(dá)到了系統(tǒng)的通信需求。

表2 I/O 地址分配

4.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

項(xiàng)目擬采用MCGS 組態(tài)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)聯(lián)系，MCGS 組態(tài)系統(tǒng)具備對實(shí)時(shí)信息進(jìn)行明確反饋、可為系統(tǒng)的自動化環(huán)境配置驅(qū)動等優(yōu)勢，它的優(yōu)點(diǎn)是選項(xiàng)較多、操作接口易用性較強(qiáng)，同時(shí)還可以在國內(nèi)自主研發(fā)的儀器上實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的獲取與處理。在裝置窗口中查找PLC 相應(yīng)的機(jī)型，利用軟件上的通道連接功能，將PLC 和PC 之間的數(shù)據(jù)以圖像、曲線等形式展示在控制面板中。

5 PID 變頻調(diào)節(jié)

將PID 控制添加到往復(fù)壓縮機(jī)的負(fù)載調(diào)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(diào)整的影響下，PID 控制器對誤差信號進(jìn)行求解，y（t）是其根據(jù)權(quán)重形成的系統(tǒng)控制信號結(jié)果，并最終被發(fā)送到受控對象進(jìn)行控制，形成完整的PID 控制系統(tǒng)。在控制工程中，PID 控制器又稱PID 調(diào)節(jié)器，其具有可以按照精度改變來調(diào)整比例、積分和微分參數(shù)自動控制的功能，也就是PID 調(diào)節(jié)器，其結(jié)果控制流程為：

PID 調(diào)節(jié)器的通用數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型：

其中，ki、Td分別為積分作用系數(shù)與微分作用系數(shù)。

為了提高輸出油壓力的平穩(wěn)性，引入PID 控制。壓縮機(jī)的負(fù)載通過頻率轉(zhuǎn)換來調(diào)整。采用管網(wǎng)進(jìn)口壓力的真實(shí)數(shù)值來設(shè)定變頻器的提升速度，從而實(shí)現(xiàn)變頻器的調(diào)速。變頻器有3 種工作模式：①手動開啟變頻器，變頻器的調(diào)速幅度為50%～100%。與環(huán)路調(diào)整相結(jié)合，人工將其調(diào)整至指定狀態(tài)。由DCS 向PLC 傳送數(shù)據(jù)，設(shè)定手柄的可變頻率；②在最終反壓為正態(tài)（最終排出壓力大于最終管網(wǎng)壓力0.1 MPa）的情況下，利用PLC 對最終排出壓強(qiáng)進(jìn)行PID 調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對最終排出壓強(qiáng)的可變控制；③當(dāng)最終階段的負(fù)壓很?。ㄗ罱K排放的氣體比最終管網(wǎng)的氣體壓力要小0.1 MPa）時(shí)，根據(jù)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(jìn)行PID 調(diào)整，實(shí)現(xiàn)3 種狀態(tài)下工作的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。在起動過程中，先人工調(diào)節(jié)起動頻率，當(dāng)起動過程中其他工作模式所需條件到達(dá)時(shí)，再轉(zhuǎn)換成其他兩種工作模式。

6 結(jié)束語

為解決傳統(tǒng)壓縮機(jī)故障率高、穩(wěn)定性，在研究傳統(tǒng)壓縮機(jī)的基礎(chǔ)上對整個(gè)壓氣機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行再設(shè)計(jì)；為確保各類信息的精確收集和傳遞，構(gòu)建壓縮機(jī)硬件體系；在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對該控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)。使用西門子STEP7 V5.6，擴(kuò)大應(yīng)用前景，使用MCGS 組態(tài)軟件開發(fā)程序，提高適應(yīng)性，使用了PID控制器調(diào)整負(fù)荷，增強(qiáng)穩(wěn)定性。采用2D10-7.6/25-45氣體壓氣機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，結(jié)果表明，與常規(guī)的監(jiān)控方法比較，本設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)壓縮機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障診斷，對提高壓縮機(jī)自動化及降低系統(tǒng)故障率具有重要意義。