2D-90往復(fù)壓縮機(jī)PLC監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

巴和平

（沈陽遠(yuǎn)大壓縮機(jī)有限公司，沈陽110141）

0 引 言

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各類大型工業(yè)生產(chǎn)過程逐漸向高能、高效的方向發(fā)展[1]，使往復(fù)壓縮機(jī)的應(yīng)用范圍愈發(fā)廣泛，人們對其在工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的安全性及可靠性的重視與日俱增。在以往的工業(yè)生產(chǎn)中，設(shè)備維護(hù)人員都是通過“定期檢修”的方式來預(yù)防設(shè)備的安全事故的，但是這樣的檢修方式卻有很大的弊端，它不能檢測到設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的故障，不能及時防止突發(fā)事故的發(fā)生。對于往復(fù)壓縮機(jī)，為保證其安全運(yùn)行，需要一個可以實(shí)時監(jiān)控其工作狀態(tài)的系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)故障或者安全隱患，在必要時可以及時停止壓縮機(jī)的運(yùn)行來維護(hù)故障部位，避免重大事故的發(fā)生。建立一個能夠及時反映往復(fù)壓縮機(jī)工作狀態(tài)的監(jiān)控系統(tǒng)具有重大的實(shí)際意義。

往復(fù)壓縮機(jī)運(yùn)行過程中具有結(jié)構(gòu)內(nèi)部壓力高、氣體介質(zhì)易爆等特點(diǎn)，一旦發(fā)生事故將直接影響使用方的安全和生產(chǎn)穩(wěn)定性，所以為滿足日益增長的市場需求，各國企業(yè)及機(jī)構(gòu)都對往復(fù)壓縮機(jī)的監(jiān)測技術(shù)給予高度重視，在往復(fù)壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研究及開發(fā)方面均取得了進(jìn)步[2]。目前國內(nèi)的多家不同領(lǐng)域的企業(yè)已經(jīng)有上百臺往復(fù)式壓縮機(jī)完成了監(jiān)測系統(tǒng)的安裝，該系統(tǒng)在壓縮機(jī)工作中的成功應(yīng)用使得工業(yè)生產(chǎn)中的參數(shù)可以及時地為操作者所掌握，在安全故障初顯時可以及時排除隱患，避免事故的發(fā)生[3]。各大高校以及科研機(jī)構(gòu)在監(jiān)控數(shù)據(jù)的分析處理上也取得突破進(jìn)展，運(yùn)用各種算法對往復(fù)壓縮機(jī)的工作情況進(jìn)行深入分析，為診斷壓縮機(jī)故障，排除安全隱患提供更加可靠的資料[4-6]。但與國外成熟的監(jiān)控技術(shù)相比，國內(nèi)企業(yè)在這方面的研究仍處于起步階段，大部分的技術(shù)都是通過引進(jìn)國外產(chǎn)品再國產(chǎn)化實(shí)現(xiàn)的，監(jiān)控系統(tǒng)在故障診斷的功能上還未完善。因此開展對往復(fù)壓縮機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)研究對我國壓縮機(jī)技術(shù)發(fā)展具有重要的實(shí)用價值。

本文將對實(shí)驗(yàn)室2D-90往復(fù)壓縮機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，2D-90往復(fù)壓縮機(jī)為二列對稱平衡型往復(fù)式壓縮機(jī)，活塞力為90 kN，其主要功能為輸送氣體。以工業(yè)PC機(jī)為上位機(jī)，可編程控制器為下位機(jī)，監(jiān)測系統(tǒng)對往復(fù)壓縮機(jī)的整個運(yùn)行過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，在出現(xiàn)故障時，操作人員可以通過控制系統(tǒng)調(diào)整壓縮機(jī)的參數(shù)，保障壓縮機(jī)的整個運(yùn)行過程更高效、安全。

1 2D-90往復(fù)壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

由于往復(fù)壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中，系統(tǒng)中的各部分機(jī)構(gòu)都緊密關(guān)聯(lián)，當(dāng)某個構(gòu)件出現(xiàn)故障時，都可能導(dǎo)致壓縮機(jī)管路溫度或壓力出現(xiàn)異常，因此在壓縮機(jī)工作時對其溫度、壓力和流量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，可及時排除故障或者安全隱患[7]。

1.1 2D-90往復(fù)壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)

根據(jù)熱力學(xué)公式可知，壓縮機(jī)運(yùn)行中溫度、氣體壓力和輸入輸出氣體體積間有如下關(guān)系：

式中：P1、P2為壓縮機(jī)的吸氣、排氣壓力，Pa；k為氣體的絕熱過程指數(shù)，k＝1.4；ε為壓縮機(jī)的壓縮比,ε=P2/P1；m為多變過程指數(shù)，絕熱過程中m=k，等溫過程中m=1。

排氣量可計算為壓縮機(jī)氣缸內(nèi)經(jīng)壓縮后排出的氣體，理論上吸氣量與排氣量的計算如下：

單作用壓縮機(jī)：

雙作用壓縮機(jī)：

式中：i為氣缸數(shù)，在2D-90往復(fù)壓縮機(jī)中，i=2；n為轉(zhuǎn)速，r/min；Qh為理論排氣量，m3/h；S為橫截面積，m2；d、D為管路直徑，m。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)原理

為實(shí)現(xiàn)往復(fù)壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能，將監(jiān)控功能分成監(jiān)測和控制兩大部分：1）監(jiān)測功能。在系統(tǒng)中監(jiān)測溫度、壓力和氣體流量，保障系統(tǒng)安全運(yùn)行。2）控制功能。通過監(jiān)測系統(tǒng)溫度、壓力、氣體流量變化而控制回轉(zhuǎn)閥做出反應(yīng)，使壓縮機(jī)的主要參數(shù)處于正常范圍內(nèi)，當(dāng)監(jiān)測到的參數(shù)出現(xiàn)異?；驁缶瘯r，可以及時停機(jī)處理。2D-90往復(fù)壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案流程圖如圖1所示。

考慮到監(jiān)控系統(tǒng)的兼容性及經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，下位機(jī)采用SIMATIC S7系列的PLC，選用S7-300系列可編程控制器監(jiān)控往復(fù)壓縮機(jī)運(yùn)行過程中冷卻流程中的水溫、潤滑流程中的油壓，以及管道中氣體的溫度、壓力、流量等一些參數(shù)。

圖1 2D-90往復(fù)壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)流程圖

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

結(jié)合PLC和組態(tài)技術(shù)，將機(jī)架、電源、CPU、模擬量輸入輸出模塊、數(shù)字量輸入模塊進(jìn)行組態(tài)。程序設(shè)計采用了模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)，模塊中包括主程序模塊OB1和功能模塊FB1與FB2，其中控制程序分別存放在FB1和FB2兩個功能塊中，使用時，在OB1塊中通過調(diào)用FBX功能塊來實(shí)現(xiàn)程序的控制功能。

1）功能塊FB1。其主要功能為實(shí)時監(jiān)測壓縮機(jī)管路不同位置的氣體溫度、油溫和水溫，壓縮機(jī)工作流程的氣體壓力和潤滑流程的油壓，壓縮機(jī)進(jìn)氣和排氣的流量，以及電磁閥的開度。測得的數(shù)據(jù)直接存儲在MD存儲區(qū)，并顯示在人機(jī)界面上。

2）功能塊FB2。主要功能為通過在人機(jī)界面輸入相應(yīng)的數(shù)值改變電磁閥的開度并且監(jiān)測電機(jī)柜上按鈕的輸入。程序編輯區(qū)域，按照變量及地址分配，輸入控制回轉(zhuǎn)閥開度時，所使用數(shù)據(jù)在PLC的位存儲區(qū)MD和直接外設(shè)輸出PQW，設(shè)備運(yùn)行過程中，如果需要改變該回轉(zhuǎn)閥的開度，則在人機(jī)監(jiān)控界面輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，則該數(shù)據(jù)會保存在PLC的MD110地址中，然后經(jīng)過模擬量輸出程序塊，將數(shù)據(jù)傳送到PQW304地址中，輸出數(shù)據(jù)，傳遞給回轉(zhuǎn)閥，改變其開度大小。

3）組織塊OB1。用于調(diào)用FB1和FB2功能模塊，將指令傳輸?shù)娇删幊炭刂破鞯腃PU去執(zhí)行。

組態(tài)界面由主界面和監(jiān)控界面組成，主界面設(shè)置各監(jiān)控界面的功能區(qū)，主要包括壓縮機(jī)的工作流程界面、冷卻水的流程界面及潤滑油的流程等壓縮機(jī)工作中的運(yùn)行模擬畫面，還包括如數(shù)據(jù)列表、壓力趨勢及報警記錄等以圖表和曲線的形式表示的壓縮機(jī)運(yùn)行狀況界面，其中返回按鈕可返回“登錄系統(tǒng)”界面。具體畫面設(shè)計如圖2所示。

為了能夠更加清晰地觀測壓縮機(jī)的工作狀態(tài)，在監(jiān)控主界面中模擬了往復(fù)壓縮機(jī)氣動回路、潤滑回路及冷卻水回路的狀態(tài)信號，實(shí)時監(jiān)控壓縮機(jī)實(shí)體管道、儀表和電磁閥狀態(tài)。當(dāng)壓縮機(jī)無故障和安全隱患時，指示燈顯示綠色，若儀表所測的數(shù)據(jù)超過壓縮機(jī)運(yùn)行的安全范圍，指示燈顯示紅燈，操作人員就可以通過該界面監(jiān)測到系統(tǒng)出現(xiàn)故障，及時采取措施。同時在每一個指示燈下都設(shè)有輸出閾值，顯示儀表監(jiān)測到的數(shù)值，使操作者能夠直接讀取儀表觀測值，返回主界面，進(jìn)入其他監(jiān)控畫面。具體畫面設(shè)計如圖3所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)主界面設(shè)計

圖3 監(jiān)控主界面

經(jīng)實(shí)驗(yàn)，本監(jiān)控系統(tǒng)可以通過儀表監(jiān)測往復(fù)壓縮機(jī)設(shè)備中的各項熱力性能參數(shù)，并可以通過相應(yīng)界面控制壓縮機(jī)回轉(zhuǎn)閥的開度，達(dá)到對壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控的目的，滿足安全要求。

3 結(jié) 論

本文以2D-90往復(fù)壓縮機(jī)為研究對象，根據(jù)往復(fù)壓縮機(jī)的監(jiān)控要求，確定需要監(jiān)測的熱力性能參數(shù)，結(jié)構(gòu)PLC和WINCC組態(tài)技術(shù)，對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。實(shí)驗(yàn)證明：1）基于PLC開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測和控制程序，實(shí)現(xiàn)了對相應(yīng)參數(shù)的采集監(jiān)測及控制功能，該方法簡單易行；2）基于WINCC組態(tài)軟件開發(fā)監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)WINCC與PLC間的通信，使監(jiān)控數(shù)據(jù)實(shí)時顯示在系統(tǒng)的界面中，便于操作人員對壓縮機(jī)各項指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控；3）該系統(tǒng)的設(shè)計可為其他類型的往復(fù)壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計提供可行的方法和理論依據(jù)，并適合進(jìn)行進(jìn)一步的功能擴(kuò)展。