羅建偉

（唐山唐鋼氣體有限公司， 河北 唐山 063000）

0 引言

空壓機由壓縮機、電動機和齒輪等部分構(gòu)成，運行時要求空壓機恒速運行[1]。但隨著季節(jié)的變化，由于溫差和濕度不同，給空壓機的控制帶來一定的難度?？諌簷C運行時主要有三種狀態(tài)，分別是卸載狀態(tài)、調(diào)節(jié)狀態(tài)和自動雙式。卸載狀態(tài)用于空壓機停機前、啟動后加載前和無風(fēng)需求時，此時放空閥全開而進氣閥最小開度，使得轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運行，大量空氣能夠進入空壓機[2-3]。調(diào)節(jié)狀態(tài)是空壓機最常見的狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)放空閥和入口閥，使空壓機出口壓力保持恒定[4]。自動雙式是卸載狀態(tài)和調(diào)節(jié)狀態(tài)的結(jié)合，通過判斷外界需求，選擇其中一種運行方式。

1 空壓機控制回路

空壓機控制回路包括負荷控制、防喘振控制和狀態(tài)檢測三部分。負荷控制包括加載過程控制和加載成功后控制，加載過程是由卸載狀態(tài)到恒轉(zhuǎn)速的過程，當(dāng)控制系統(tǒng)接到加載指令后，對實際壓力和給定壓力進行比較，若給定壓力大于實際壓力，入口閥加大電流逐漸上升，直至壓力值達到給定值，進入恒壓狀態(tài)。加載成功后，為了保持空壓機排氣壓力恒定，需要根據(jù)空壓機的實際運行情況，調(diào)節(jié)放口閥和入口閥的開口，即對控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)。

當(dāng)空壓機入口閥的空氣流量小于空壓機最小穩(wěn)定流量時，空壓機會出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，這是離心式空壓機的固有反常問題。防喘振控制是空壓機重要的控制部分，是解決空壓機不穩(wěn)定狀態(tài)的重要措施。通常采用的防喘振措施有設(shè)置電流下限防喘振和提高系統(tǒng)預(yù)設(shè)壓力。

狀態(tài)檢測是針對空壓機溫度而言的，由于空壓機轉(zhuǎn)速很高且進入空壓機氣體的密度遠小于液體的密度，因此，空壓機內(nèi)潤滑油的溫度相對也較高。狀態(tài)檢測在實際運行過程中，若出口溫度超過預(yù)設(shè)溫度，則需要停機檢查空壓機散熱冷卻器性能。

2 空壓機控制系統(tǒng)設(shè)計

空壓機排氣壓力控制系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1 所示。控制系統(tǒng)由PLC 控制器及擴展模塊、上位機、電控裝置、變頻器、空壓機和風(fēng)包構(gòu)成?？諌簷C運行過程中，PLC 控制器對空壓機電控裝置和變頻器的參數(shù)進行采樣，并對空壓機變頻器起停頻率進行控制，以完成空壓機啟動過程的控制。同時，為了滿足空壓機排氣壓力恒定，在出口閥加裝壓力傳感器，將監(jiān)測到的壓力值返回PLC 控制系統(tǒng)，根據(jù)變化實時進行調(diào)整控制。此外，上位機是為了方便觀測空壓機運行狀態(tài)的重要裝置，通過總線通信模式，將故障、運行狀態(tài)傳遞至上位機并顯示。

圖1 空壓機排氣壓力控制系統(tǒng)

2.1 硬件設(shè)計

本文所提空壓機排氣壓力控制系統(tǒng)采用西門子S7-200 系列PLC，根據(jù)空壓機排氣壓力控制系統(tǒng)功能對PLC 控制系統(tǒng)的I/O 地址進行分配，如表1 所示。

表1 空壓機控制系統(tǒng)I/O 地址分配表

空壓機排氣壓力控制系統(tǒng)變頻器采用矢量控制技術(shù)，其運行穩(wěn)定性較強，可以長期可靠應(yīng)用于空壓機控制系統(tǒng)?？諌簷C出口閥排氣壓力要求恒定0.2 MPa，且當(dāng)排氣壓力超過0.75 時，空壓機必須停機檢修。因此，空壓機控制系統(tǒng)的壓力傳感器選型至關(guān)重要。本文選取MB420 壓力傳感器，具有零點漂移修正功能、斷電保護功能，可以獲得穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)。壓力傳感器輸出5～20 mA 的電流信號，電流信號使用傳統(tǒng)的二線制傳輸方式進行傳輸。此外，由于空壓機長期運行，導(dǎo)致潤滑劑溫度較高，選用溫度傳感器ZSBWR，測量范圍為0～1 800 ℃，滿足溫度測量需求。

2.2 軟件設(shè)計

為了使空壓機排氣壓力恒定，使用PLC 對出口排氣壓力進行PID 模糊控制，其主要思路為通過壓力傳感器對出口排氣壓力進行檢測采樣，反饋至PLC模糊控制輸入端，將控制系統(tǒng)的給定壓力和采樣信號進行比較，并輸入至PID 模糊控制器進行調(diào)節(jié)。

空壓機排氣壓力控制系統(tǒng)PLC 軟件流程如圖2所示，可以看出，基于PLC 的空壓機排氣壓力控制系統(tǒng)采用模塊化編程，根據(jù)不同控制功能對PLC 的編程進行劃分，主要分為：初始化程序、采樣程序、故障報警程序、PID 模糊控制程序和變頻調(diào)速壓力控制程序，其中，PID 模糊控制程序用來調(diào)節(jié)運行狀態(tài)。

圖2 空壓機排氣壓力控制系統(tǒng)PLC 軟件流程

PID 壓力模糊控制系統(tǒng)框圖如圖3 所示，當(dāng)PID模糊控制完成后，PLC 根據(jù)實際輸出結(jié)果，實時調(diào)節(jié)空壓機系統(tǒng)的變頻器輸出頻率，通過對空壓機系統(tǒng)的電動機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，最終達到調(diào)節(jié)空壓機排氣壓力恒定的目的。同時，為了使空壓機排氣壓力控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，在PLC 軟件設(shè)計時，需要對壓力傳感器、變頻器和電動機等重要設(shè)備增設(shè)報警功能，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重故障時，要停機檢修，防止安全事故發(fā)生。

圖3 基于PLC 的PID 壓力模糊控制系統(tǒng)

3 應(yīng)用效果分析

3.1 效果分析

為了驗證本文所設(shè)計的空壓機排氣壓力控制系統(tǒng)符合預(yù)期要求，將本文所提出的基于PLC 的空壓機排氣壓力控制系統(tǒng)應(yīng)用于實際工程實踐。某煤礦使用的MLG30/8-200G 型空壓機組，已穩(wěn)定運行2 a。當(dāng)前，空壓機組及其控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能實現(xiàn)對各類信號的采樣和處理，較好地控制了空壓機排氣壓力保持恒定。同時，配合空壓機的故障監(jiān)測和預(yù)警功能，空壓機能夠安全穩(wěn)定運行，減少了事故發(fā)生的概率。

3.2 經(jīng)濟性分析

為了進一步分析基于PLC 的空壓機排氣壓力控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果，對其進行經(jīng)濟性分析。

1）節(jié)約耗電量。應(yīng)用本文所設(shè)計的基于PLC 空壓機排氣壓力控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)空壓機運行系統(tǒng)進一步智能化，避免空壓機長時間無效空載運行，減少耗電量，節(jié)電率達到10.1%。通過統(tǒng)計和計算，每年可以節(jié)約電量181.5 MW·h，節(jié)省電費約10.1 萬元。

2）節(jié)約人工成本。應(yīng)用基于PLC 的空壓機壓力控制系統(tǒng)，空壓機組智能化水平得到提升，不再設(shè)置空壓機組的固定監(jiān)測崗位，相比未應(yīng)用此控制系統(tǒng)前，每班可以減少4 個工作人員，按照每人8 000 元/月計算，每年可以節(jié)省約38.4 萬元。

3）節(jié)約維修及配件費用。對比傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，基于PLC 的空壓機排氣壓力控制系統(tǒng)實現(xiàn)空壓機系統(tǒng)穩(wěn)定運行，使用壽命有較大提高，每年可節(jié)省設(shè)備維修費約3 萬元，零件購買費每年可節(jié)省5 萬元。

基于PLC 的空壓機排氣壓力控制系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟效益，每年可節(jié)省費用6.5 萬元左右。

4 結(jié)論

本文針對空壓機排氣壓力控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定性較差的問題，提出一種基于PLC 的空壓機排氣壓力控制系統(tǒng)。對空壓機的工作原理進行分析，根據(jù)運行需求，設(shè)計了控制系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分。將控制系統(tǒng)應(yīng)用于實際工程實踐，應(yīng)用效果理想，可以實現(xiàn)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，同時，具有良好的經(jīng)濟效益，每年可節(jié)省費用6.5 萬元左右。