中色科技空壓機聯控系統設計

沈艷河，李文藝，王延波

中色科技空壓機聯控系統設計

沈艷河1，李文藝2，王延波3

（1.黃河水利職業(yè)技術學院，河南 開封 475004；2.宿州學院 機械與電子工程學院，安徽 宿州 234000；3.中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039）

對中色科技股份有限公司兩臺空壓機進行聯控設計。其設計方案為：對空壓機進行變頻改造；通過RS-485總線把兩臺空壓機、變頻器和主控PLC聯網；進行聯控算法設計。同時，對空壓系統的主管道壓力和空壓機運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控。實踐證明，該設計實現了兩臺空壓機根據用氣負荷的變化自動連續(xù)調整輸出氣量，達到了穩(wěn)壓、降耗的目的。

空壓機聯控；變頻化改造；聯控算法；實時監(jiān)控

0 引言

中色科技股份有限公司成套部 （下文簡稱成套部）空壓站的2臺阿特拉斯GA55型空壓機獨立運行。在生產過程中，白班，兩臺空壓機全部開啟；夜班和節(jié)假日，一臺空壓機開啟，另外一臺空壓機關閉?？諌簷C的啟?？刂埔约翱諌簷C運行時間的均衡控制都是由工作人員現場操作控制。該控制方式存在以下問題：（1）經常出現兩臺空壓機同時啟停，使得空壓系統壓力波動大，并對電力變壓器造成很大的沖擊。（2）空壓機主電機工作在工頻轉速狀態(tài)，輸出氣量不能根據用氣負荷的變化連續(xù)調整，導致空壓系統壓力在設定的上下限壓力之間做大范圍波動。（3）白班用氣負荷小時，一臺空壓機大部分時間工作在輕載狀態(tài)，導致電能的大量浪費，而在夜班和節(jié)假日用氣負荷大時，一臺空壓機不能維持需要的壓力，造成系統壓力過低，影響正常生產和設備運行。（4）時有因為疏忽忘記開啟或關閉一臺空壓機的現象發(fā)生。

為了解決這些問題，需對空壓系統進行自動化改造，具體方案為：（1）對兩臺空壓機進行變頻化改造，使兩臺空壓機都能工作在定頻狀態(tài)和變頻運行狀態(tài)；（2）對兩臺空壓機進行聯控算法設計，使兩臺空壓機不僅能夠實現獨立運行控制，還能實現自動協調運行控制，在系統穩(wěn)壓的同時，達到降低能耗的目的；（3）使用組態(tài)王對空壓機運行狀態(tài)和關鍵參數進行實時監(jiān)控和顯示，提高系統的可靠性。

1 空壓機聯控系統的要求和構成

1.1 系統要求

（1）在保證提供壓力穩(wěn)定、品質合格的壓縮空氣的前提下，空壓機能夠根據負荷用氣的變化連續(xù)調整輸出壓縮空氣量，提高系統壓力的穩(wěn)定性。（2）空壓機工作在高效的滿載或變頻工作狀態(tài)，提高設備效率，降低能耗。（3）系統能夠按照設計好的控制方案自動運行，在實現聯控的基礎上，保證兩臺空壓機運行時間均衡，使整個機組時刻保持在最佳工況。（4）系統能夠對空壓系統的主要參量進行實時監(jiān)控，發(fā)生故障時，進行報警。（5）系統能對空壓機的維護和保養(yǎng)提供幫助。

1.2 系統構成

空壓機聯控系統主要由空壓機、變頻器、RS-485通信網絡、PLC、主機和相應軟件構成。空壓機聯控系統設計主要涉及空壓機變頻化改造和系統組網兩方面的工作。

2 控制系統硬件結構

聯控系統硬件結構如圖1所示?？諌簷C聯控系統通過RS-485總線把2臺空壓機、變頻器、PLC及主機連成RS-485網絡，空壓機外的電磁閥、繼電器和傳感器等部件通過PLC的I／O口進行信息交換。

2.1 空壓機變頻改造

在空壓系統中，供氣壓力是系統各種運行狀態(tài)改變與保持的唯一指標［1］。滿足穩(wěn)定的氣源壓力，自動調節(jié)供氣流量是空壓站自動控制系統的基本任務。由于用氣負荷不斷變化，空壓機只有根據用氣負荷的變化對輸出氣量進行實時調整，才能達到穩(wěn)壓的目的。

圖1 兩臺空壓機聯控系統硬件連接結構圖Fig.1 Two air com pressors combine-controlled system hardware structure

阿特拉斯GA55型空壓機主電機是在恒轉矩狀態(tài)下運行的，空壓機排氣量Q與電機轉速n成正比［2］。因此，要想使空壓系統能夠適應負荷變化，保持供氣壓力穩(wěn)定、滿足氣量需求，就要求空壓機能夠連續(xù)地對轉速進行調節(jié)。本設計選擇對定頻空壓機進行變頻化改造，具體設計方案是：一臺變頻器控制一臺空壓機工作在變頻狀態(tài)，另一臺空壓機始終運行在全載或是停機狀態(tài) （定頻運行的壓縮機在這兩個狀態(tài)時能效最高）。變頻運行的空壓機作為調節(jié)用氣，以適應生產實際用氣的變化。保證供氣壓力的穩(wěn)定，大大提高空壓機的工作效率和性能?？諌簷C啟動時，還可以減弱對電網及設備的沖擊，延長設備使用壽命［1］。

2.2 空壓機組網設計

RS-485接口是空壓機和大多數工控設備常用的接口。RS-485網絡最大支持128個節(jié)點，滿足空壓系統技術要求?？諌簷C控制主要是邏輯控制，對實時性要求并不高，RS-485總線的傳輸速率即可以滿足空壓機的實時性要求，并且硬件成本要遠小于CAN總線。基于上述理由，該設計采用RS-485總線連接各設備，系統組網連線如圖2所示。

2.3 主控部件選擇

空壓機聯控系統輸入、輸出設備少，控制策略簡單，實時性要求不高。目前，市場主流的小型PLC都能滿足需求。本設計選擇三菱FX2N系列小型PLC作為聯控系統的核心控制部件。三菱FX2N系列小型PLC本身沒有RS-485接口，當PLC與2臺空壓機及變頻器進行通信時，需要通過FX2N-485BD模塊進行轉換。當PLC與主機電腦進行通信時，需要通過FX-485PC-IF模塊轉接，然后接到主機RS-232-C的接口上，如圖2所示。

圖2 聯控系統組網連線圖Fig.2 Combine-controlled system network

3 軟件及系統界面設計

3.1 空壓機聯控策略設計

兩臺空壓機的聯控采用時間控制模式，即兩臺空壓機每隔一段時間就按工頻、變頻運行模式自動交換一次，保證兩臺空壓機的運行時間基本均衡。在系統運行過程中，定頻運行空壓機工作在停機或者全載狀態(tài)，變頻運行空壓機根據用氣負荷的變化實時調整輸出氣量。為了減小空壓機啟動時對廠內變壓器造成的沖擊，兩臺空壓機均采用變頻自動啟動，控制策略如圖3所示。為了提高系統的可靠性，系統既能對兩臺空壓機實現自動聯控，又能通過手動控制模式控制兩臺空壓機單獨啟停［3］。

3.2 監(jiān)控畫面設計

系統組態(tài)選用市場占有率比較高的國產組態(tài)軟件組態(tài)王作為開發(fā)平臺。主機監(jiān)控畫面有空壓站操控畫面、空壓系統實時運行畫面和報警及歷史畫面構成?？諌合到y實時運行畫面如圖4所示。在系統運行過程中，組態(tài)王能夠對空壓系統主管道壓力、油位和保養(yǎng)數據等參數進行實時顯示。系統還能夠建立實時壓力曲線、保存歷史壓力曲線，并能對報警事件進行查詢和打印。另外，組態(tài)王通過實時監(jiān)測系統壓力變化，自動調整變頻運行空壓機主電機的轉速，來調整輸出氣量，進而穩(wěn)定系統壓力。

圖3 空壓機聯控運行關系圖Fig.3 Air com pressor joint control operation

圖4 空壓系統實時運行狀況圖Fig.4 Air com pressor system real-time operation state

4 結語

空壓機經聯控改造，實現了空壓站的無人自動化操作，使空壓系統壓力穩(wěn)定性得到顯著提高，能耗明顯降低。兩臺空壓機的協調運行控制保證兩臺空壓機得到均衡使用，使設備始終保持在最佳狀態(tài)，提高了系統的可靠性。同時，聯控系統還能夠為空壓機的保養(yǎng)和檢修提供幫助，提高了空壓系統的管理水平。

［1］賈春苗.空壓機專用變頻器的研究、實現及性能測試［D］.廈門：廈門大學自動化系，2009.

［2］于海龍，石東東.基于PLC的空壓機變頻聯控系統研究［J］.機械自動化與工程，2011（3）：144-145.

［3］王浩君.空壓機聯控系統設計［D］.武漢：湖北大學，2009.

[責任編輯 楊明慶]

On Design of Air Compressor Combine-controlled System of China Nonferrous M etals Processing Technology(CNPT)

SHEN Yan-he1,LIWen-yi2,WANG Yan-bo3
(1.Yellow River Conservancy Technical Institute,Kaifeng 475004,Henan,China; 2.Suzhou University,Suzhou 234000,Anhui,China; 3.China Nonferrous Metals Processing Technology Co.Ltd.,Luoyang 471039,Henan,China)

Two air compressors of CNPT have been taken the combine-controlled system design.The design schemes are as follows:First of all,makes the air compressor variable-frequency transformation，and then connects two air compressors,frequency changer and master control PLC in the same network via RS-485 bus,and finally designs the process combine-controlled algorithm.And main pipeline pressure and running status of air compressor system have been taken real time monitoring at the same time.Practice shows that this design has realized the two air compressor adjust the output volume automatically and continuously according to the variation of gas load and achieved the goal of voltage stabilization and consumption reduction.

Air compressor combine-controlled;variable-frequency transformation;combine-controlled algorithm;realtime monitoring

TP273

A

1008-486X（2015）03-0041-04

2015-05-19

黃河水利職業(yè)技術學院青年項目：空壓機智能聯控及故障診斷預警系統（2014QNKY020）。

沈艷河（1981-），男，河南周口人，講師，碩士，主要從事高校機電控制技術教學與研究工作。