空壓機(jī)站無人值守控制設(shè)計(jì)

蘭家祥，張 東

（馬鋼集團(tuán)姑山礦業(yè)公司，安徽馬鞍山 243084）

1 項(xiàng)目簡介

該項(xiàng)目的空壓機(jī)站由4臺(tái)水冷型螺桿式空壓機(jī)組構(gòu)成，采用三菱公司FX2N PLC控制空壓機(jī)運(yùn)行。原有空壓機(jī)站操作模式為：根據(jù)工藝及現(xiàn)場用風(fēng)要求，操作工8:00～20:00 4臺(tái)機(jī)組全開，晚20:00～23:00停 1臺(tái)機(jī)組，23:00～次日 8:00停 3臺(tái)機(jī)組。該操作模式的弊端：開停機(jī)組的指令由調(diào)度統(tǒng)一下達(dá)，由于人工停機(jī)的不及時(shí)經(jīng)常造成部分空壓機(jī)組空載運(yùn)行，不僅造成了能源的浪費(fèi)，也加速了設(shè)備的老化程度，而且自動(dòng)化程度較低。為了積極響應(yīng)公司“機(jī)械化換人，自動(dòng)化減人”的號(hào)召，降低人為的能源浪費(fèi)，也為了節(jié)約人力資源成本，公司成立自動(dòng)化升改小組，對4臺(tái)空壓機(jī)運(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)化升級改造，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)站的無人值守。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 空壓機(jī)自動(dòng)控制的設(shè)計(jì)內(nèi)容

（1）采用“集散控制系統(tǒng)”的思想設(shè)計(jì)，以“4C”技術(shù)為基礎(chǔ)，最終達(dá)到4臺(tái)空壓機(jī)集中操作管理、分散控制的目標(biāo)。

（2）增加1臺(tái)三菱FX3U PLC做主站，通過RS485主從通訊的方式采集4臺(tái)機(jī)組中PLC的運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括：空壓機(jī)電機(jī)電流、電機(jī)溫度，排氣壓力、排氣溫度等。

（3）通過主站PLC實(shí)現(xiàn)對冷卻塔冷卻風(fēng)扇電機(jī)、2臺(tái)管道水泵（1用1備）的遠(yuǎn)程啟停控制及運(yùn)行電流、狀態(tài)的監(jiān)視。

（4）空壓機(jī)儲(chǔ)氣罐內(nèi)冷凝水排放自動(dòng)控制。在4臺(tái)儲(chǔ)氣罐各增加1個(gè)電磁閥，通過主控PLC實(shí)現(xiàn)電磁閥自動(dòng)控制功能，每天定時(shí)打開電磁閥排放儲(chǔ)氣罐內(nèi)冷凝水，從而確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（5）通過增加壓力式液位傳感器和壓力傳感器，并將采集的液位、壓力信號(hào)接入主控PLC的模擬量模塊，實(shí)現(xiàn)冷卻塔冷卻水液位測量，以及冷卻循環(huán)水壓力檢測，實(shí)時(shí)監(jiān)測空壓機(jī)站冷卻循環(huán)系統(tǒng)的狀態(tài)。

（6）上位機(jī)安裝WinCC 7.0軟件，設(shè)計(jì)工程組態(tài)畫面，組態(tài)畫面可實(shí)現(xiàn)以下功能：

①4臺(tái)空壓機(jī)機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，4臺(tái)空壓機(jī)機(jī)組、冷卻塔風(fēng)扇電機(jī)、2臺(tái)管道泵的啟停狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示，另外實(shí)時(shí)風(fēng)扇電機(jī)、管道泵的電壓、電流監(jiān)測以及水塔液位的監(jiān)測。

②通過用戶密碼登錄能夠?qū)崿F(xiàn)對4臺(tái)空壓機(jī)機(jī)組、冷卻塔風(fēng)扇電機(jī)、2臺(tái)管道泵的遠(yuǎn)程啟?？刂?。

③參量超限報(bào)警及故障診斷。對空壓機(jī)系統(tǒng)的供電主電流、排氣溫度 、排氣壓力、斷水等參量都設(shè)置超限報(bào)警，運(yùn)行過程中一旦參量值超限，組態(tài)軟件可實(shí)現(xiàn)分類語音報(bào)警和動(dòng)態(tài)畫面提示，并可將報(bào)警信息存入報(bào)警信息數(shù)據(jù)庫，供事后統(tǒng)計(jì)分析[1]。

④WinCC組態(tài)軟件設(shè)置的歷史報(bào)表、歷史曲線以圖表或曲線形式給出空壓機(jī)關(guān)鍵參數(shù)在歷史任意時(shí)刻的運(yùn)行狀態(tài)及變化趨勢，以備技術(shù)人員或現(xiàn)場操控人員查詢、分析之用[1]。

2.2 自動(dòng)控制項(xiàng)目硬件選型

表1 硬件選型清單

2.3 自動(dòng)化控制通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

可編程控制器在現(xiàn)代控制中的地位日益突出，PLC在處理多控制任務(wù)的復(fù)雜控制問題時(shí)，往往需要用多臺(tái)小型PLC構(gòu)成相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，大量的工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息需要在各個(gè)PLC之間進(jìn)行交換與傳輸。解決這類問題的辦法一般是根據(jù)PLC構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)形式采用相應(yīng)的通訊模式，由用戶編制相應(yīng)的通訊程序。通訊程序的優(yōu)劣不僅影響PLC之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣扰c品質(zhì)，而且會(huì)涉及PLC控制系統(tǒng)的安全與可靠[2]。本項(xiàng)目通訊采用2層控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場層采用三菱公司N:N網(wǎng)絡(luò)；此網(wǎng)絡(luò)的功能是在最多8臺(tái)FX可編程控制器之間，通過RS485通訊連接，進(jìn)行軟元件相互鏈接的功能，結(jié)構(gòu)簡單[3，4]，經(jīng)濟(jì)可靠，使用于此項(xiàng)目性價(jià)比最高，實(shí)現(xiàn)三菱FX3U主控 PLC與4臺(tái)空壓機(jī)從站PLC FX2N的數(shù)據(jù)交換。 FX3U主控PLC與調(diào)度上位機(jī)WinCC 7.0軟件采用以太網(wǎng)通訊的方式，保證遠(yuǎn)距離通訊的數(shù)據(jù)交換速度，可靠性以及未來的可擴(kuò)展性。

圖1 控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.4 自動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)

2.4.1 4臺(tái)空壓機(jī)采用階梯式壓力限值設(shè)置方式

當(dāng)空氣壓縮機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行后，如果后端設(shè)備用氣量較大，儲(chǔ)氣罐和后端管路中壓縮氣壓力未達(dá)到壓力上限值，則控制器動(dòng)作加載閥，打開進(jìn)氣口，電機(jī)負(fù)載運(yùn)行，不斷地向后端管路產(chǎn)生壓縮氣。如果后端用氣設(shè)備停止用氣，后端管路和儲(chǔ)氣罐中壓縮氣壓力漸漸升高，當(dāng)達(dá)到壓力上限設(shè)定值時(shí)，壓力傳感器發(fā)出卸載信號(hào)，加載電磁閥停止工作，進(jìn)氣口濾清器關(guān)閉，電機(jī)空載運(yùn)行，由于用氣設(shè)備的工作周期或是生產(chǎn)工藝的差別，使得用氣量發(fā)生波動(dòng)，所以在壓力超上限20 min后才執(zhí)行卸載命令，以避免空壓機(jī)頻繁加載、卸載動(dòng)作?？諌簷C(jī)卸載后仍然工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅浪費(fèi)電能而且增加設(shè)備的機(jī)械磨損，所以當(dāng)空壓機(jī)空載運(yùn)行超過30 min，程序會(huì)自動(dòng)停止相應(yīng)空壓機(jī)的運(yùn)行。當(dāng)儲(chǔ)氣罐和后端管路中壓縮氣壓力小于下限值時(shí)，空壓機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，空壓機(jī)啟動(dòng)時(shí)，加載電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，加載氣缸不動(dòng)作，電機(jī)空載運(yùn)行，一段時(shí)間（可有控制器任意設(shè)定，在此設(shè)置為10 s）后，加載電磁閥打開，空壓機(jī)帶載運(yùn)行[5]。

2.4.2 空壓機(jī)允許啟動(dòng)條件設(shè)定（見圖2）

2.4.3 空壓機(jī)自動(dòng)控制程序流程圖（以1#空壓機(jī)為例，見圖 3）

表2 4臺(tái)空壓機(jī)壓力限值設(shè)定 MPa

圖2 空壓機(jī)允許正常啟動(dòng)條件

圖3 單臺(tái)空壓機(jī)控制邏輯圖

2.4.4 空壓機(jī)儲(chǔ)氣罐冷凝水自動(dòng)排放程序

通過編寫程序讀取PLC的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，每天2點(diǎn)開始控制1#電磁閥排放1#儲(chǔ)氣罐冷凝水，時(shí)間4 min，隔1 min控制2#電磁閥排放2#儲(chǔ)氣罐冷凝水，以此類推排放3#、4#儲(chǔ)氣罐。每隔6 h執(zhí)行1次自動(dòng)排水。

表3 每臺(tái)儲(chǔ)氣罐每天排放冷凝水的時(shí)刻表

2.2.5 上位機(jī)WinCC組態(tài)畫面設(shè)計(jì)

WinCC是在生產(chǎn)和過程自動(dòng)化中解決可視化和控制任務(wù)的工業(yè)技術(shù)中控系統(tǒng)。它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示消息、歸檔以及報(bào)表的功能模板，高性能的過程耦合快速的畫面更新以及可靠的數(shù)據(jù)使其具有高度的實(shí)用性。該監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)操作人員不同，設(shè)定不同的使用權(quán)限，有效地保證了系統(tǒng)操作的安全性。系統(tǒng)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測及顯示本系統(tǒng)通過Wincc組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)了對空壓機(jī)運(yùn)行所有參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，使得各空壓機(jī)當(dāng)前的流量、供電參數(shù)、監(jiān)控溫度、監(jiān)控壓力等直觀動(dòng)態(tài)地顯示在同一畫面上，便于監(jiān)控生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)管理和系統(tǒng)的可視化[6]。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了空壓機(jī)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示畫面（主畫面）、報(bào)警匯總畫面、電流記錄曲線畫面、運(yùn)行時(shí)間記錄畫面、操作記錄畫面、空壓機(jī)啟?？刂飘嬅娴?。

圖4主監(jiān)控畫面中，將空壓機(jī)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)可視化，調(diào)度人員可第一時(shí)間準(zhǔn)確掌握機(jī)組運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀態(tài)。從而避免在生產(chǎn)過程中，因施工人員反映風(fēng)壓低而出現(xiàn)的推諉、扯皮現(xiàn)象。

當(dāng)操作人員啟?？諌簷C(jī)時(shí)，WinCC畫面會(huì)自動(dòng)彈出登錄對話框，有操作權(quán)限的人才可進(jìn)行操作。此操作可有效避免無關(guān)人員操作該系統(tǒng)。

該功能可在因人為操作造成設(shè)備故障或是設(shè)備事故時(shí)，用于查找責(zé)任人。

3 實(shí)施效果

3.1 空壓機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行臺(tái)數(shù)根據(jù)用氣壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)，后端設(shè)備用氣量較大，儲(chǔ)氣罐和后端管路中壓縮氣壓力未達(dá)到壓力上限值，則4臺(tái)空壓機(jī)會(huì)全部啟動(dòng)，當(dāng)后端設(shè)備用氣量較小，部分空壓機(jī)儲(chǔ)氣罐和后端管路中壓縮氣壓力達(dá)到壓力上限值，則部分空壓機(jī)會(huì)卸載運(yùn)行直至停機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的目標(biāo)，達(dá)到為企業(yè)降本的效果。

圖4 上位機(jī) WinCC組態(tài)主畫面

圖5 空壓機(jī)站無人值守操作權(quán)限

圖6 空壓機(jī)無人值守操作記錄顯示

圖7 運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示

圖8 運(yùn)行電流曲線顯示

從圖9中可以看出：自動(dòng)調(diào)節(jié)空壓機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)比人工操作調(diào)節(jié)空壓機(jī)臺(tái)數(shù)平均每天節(jié)約4.6 h。預(yù)計(jì)節(jié)約能耗：電耗=實(shí)際功率×?xí)r間/效率=（250 kW×0.6）×4.6×30/0.95=21789.1 kW·h，每月可節(jié)約電費(fèi)約2萬元[7]。

3.2 空壓機(jī)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)運(yùn)行。調(diào)度能夠通過上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控4臺(tái)空壓機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了以自動(dòng)控制為主，調(diào)度遠(yuǎn)程干預(yù)控制為輔的運(yùn)行模式，從而撤銷了4人的空壓機(jī)崗位，預(yù)計(jì)節(jié)約人力資源成本為每年約25萬元。

3.3 空壓機(jī)能夠根據(jù)管道氣壓及時(shí)自動(dòng)啟停，保證管道氣壓調(diào)節(jié)及時(shí)，有效地保證了井下錨桿、錨索支護(hù)效率。

圖9 空壓機(jī)人工調(diào)節(jié)與自動(dòng)調(diào)節(jié)每天的運(yùn)行總時(shí)間對比

4 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）空壓系統(tǒng)的整體自控有效地保持系統(tǒng)內(nèi)空氣壓力穩(wěn)定。

（2）整體的負(fù)載平衡，減少排氣放空，可以節(jié)約更多的能源。

（3）無人操作，節(jié)省人力成本。

（4）可以實(shí)時(shí)地記錄空壓機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)和報(bào)警，如重故障、通訊故障、壓力等。 （5）空壓機(jī)儲(chǔ)氣罐冷凝水每天按照規(guī)定時(shí)間節(jié)點(diǎn)自動(dòng)排水。

5 應(yīng)用情況

本項(xiàng)目在2017年1月實(shí)施完成至今，安全運(yùn)行效果良好，空壓機(jī)自動(dòng)控制運(yùn)行有效，并且撤銷了4人的空壓機(jī)班組，取得良好的應(yīng)用效果。

6 社會(huì)效益

空壓機(jī)的自動(dòng)化運(yùn)行控制，特別是儲(chǔ)氣罐冷凝水的自動(dòng)定時(shí)排放，不僅比人工控制更節(jié)能，而且可以節(jié)約人力資源成本，是生產(chǎn)企業(yè)節(jié)能降耗及成本節(jié)約的一種有效手段，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。