活塞式壓縮機(jī)PLC 控制系統(tǒng)的應(yīng)用

曹 揚(yáng)，金海波，王曉輝

（杭州杭氧壓縮機(jī)有限公司，浙江杭州 311305）

0 引言

活塞式壓縮機(jī)廣泛用于化工、冶金等行業(yè)，是主要的壓縮氣體設(shè)備。近年來，由于較低的價(jià)格、穩(wěn)定的操作及簡單的維護(hù)受到用戶的歡迎，其在生產(chǎn)和商業(yè)活動(dòng)中起著重要作用。某重型設(shè)備集團(tuán)的天然氣公司近期有很多活塞式空壓機(jī)進(jìn)入檢修期，系統(tǒng)使用PLC 實(shí)時(shí)監(jiān)控壓縮機(jī)的啟動(dòng)和日常運(yùn)行，出現(xiàn)危險(xiǎn)信號(hào)時(shí)PLC 通過檢測(cè)和傳輸設(shè)備得到實(shí)時(shí)反饋信息。PLC 在計(jì)算后執(zhí)行相應(yīng)的警報(bào)輸出，并作用于警報(bào)設(shè)備。當(dāng)檢測(cè)到危險(xiǎn)生產(chǎn)和壓縮機(jī)安全的物理信號(hào)時(shí)，PLC 立即聯(lián)鎖并停止壓縮機(jī)，執(zhí)行相應(yīng)的緊急處置等。同時(shí)，考慮到對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重大修改、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉、功能強(qiáng)大，多點(diǎn)檢查控制設(shè)備和計(jì)算機(jī)程序控制勵(lì)磁柜取得了很好的效果，主要體現(xiàn)在縮短工作時(shí)間、減少成本輸出，同時(shí)有效控制精準(zhǔn)度與質(zhì)量。網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)化與設(shè)備的自動(dòng)化，使整個(gè)工廠以模塊化的方式逐步升級(jí)。張明[1]在重慶某能源公司的LNG 調(diào)峰儲(chǔ)備綜合利用示范項(xiàng)目中，介紹了PLC 在往復(fù)式壓縮機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要采用PLC和觸摸屏實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)的監(jiān)控和報(bào)警。聯(lián)鎖停車和其他功能降低了系統(tǒng)故障率，增加了經(jīng)濟(jì)和安全效益。左華[2]介紹PLC 的應(yīng)用，并對(duì)活塞式空壓機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行重組。與傳統(tǒng)控制器進(jìn)行對(duì)比，重新對(duì)空壓機(jī)PLC 系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要在于軟硬件及外圍控制電路方面的設(shè)計(jì)，并糾正了一些實(shí)際操作過程中存在的問題。

1 兩種壓縮機(jī)PLC 控制系統(tǒng)的對(duì)比

（1）傳統(tǒng)壓縮機(jī)PLC 控制系統(tǒng)。其主要依靠高壓開關(guān)柜及電氣控制等工作，電氣控制柜內(nèi)部運(yùn)行主要依靠繼電器、動(dòng)圈電接點(diǎn)壓力表等，內(nèi)部組件較為復(fù)雜，操作時(shí)間會(huì)更長。傳統(tǒng)的壓縮機(jī)PLC 控制系統(tǒng)，設(shè)備比較老化，操作運(yùn)轉(zhuǎn)不便，故障頻發(fā)。由于設(shè)備難以滿足社會(huì)的需求，其面臨的問題越來越多，解決問題難度不斷增加，導(dǎo)致額外投入的資金設(shè)備增多。傳統(tǒng)壓縮機(jī)PLC 控制系統(tǒng)不完善，設(shè)備自動(dòng)化水平低，需要經(jīng)常進(jìn)行檢測(cè)與維護(hù)。

（2）活塞式壓縮機(jī)的PLC 控制系統(tǒng)。由于PLC 控制系統(tǒng)的升級(jí)，設(shè)備得到更新，系統(tǒng)得到優(yōu)化，新型活塞式壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。新型活塞式壓縮機(jī)在更新后，其計(jì)算功能不斷增強(qiáng)，數(shù)據(jù)收集及程序控制變得容易。在智能化后，網(wǎng)絡(luò)控制可以充當(dāng)單個(gè)控制單元，方便與其他設(shè)備交換信息源，使活塞式空氣壓縮機(jī)的控制更加快捷，將PLC 作為主控制，并選擇了一個(gè)文本顯示作為參數(shù)顯示單元，可以在完成邏輯控制的同時(shí)獲取模擬信號(hào)，從而提供參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示和錯(cuò)誤消息的文本顯示。通過這種選擇和設(shè)計(jì)，壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的功能更強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)更緊湊，部件和接線的數(shù)量也減至最少，系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性大大降低，并且可以進(jìn)行故障檢測(cè)和消除。

2 活塞式壓縮機(jī)PLC 的應(yīng)用程序

（1）測(cè)試和維護(hù)。該程序限制了操作員僅能根據(jù)設(shè)置的程序來操作設(shè)備，如果發(fā)生錯(cuò)誤的操作則會(huì)根據(jù)情況或程序自動(dòng)執(zhí)行。此外，通過“測(cè)試”按鈕，啟動(dòng)試驗(yàn)功能，屏蔽輸入及輸出信號(hào)源，避免高壓設(shè)備測(cè)試產(chǎn)生故障問題，以及其他設(shè)備維護(hù)的意外問題。同時(shí)，設(shè)備維護(hù)也是系統(tǒng)的重要部分，通過啟動(dòng)“維修”選項(xiàng)來進(jìn)行現(xiàn)場模擬，無需駕駛即可模擬工況，從而簡化了維護(hù)和參數(shù)調(diào)整。

（2）輔助設(shè)備控制。主機(jī)在運(yùn)行過程中，輔助發(fā)動(dòng)機(jī)被強(qiáng)制開啟，其他功被阻擋。主機(jī)不運(yùn)行時(shí)可以手動(dòng)啟動(dòng)和停止油泵和水泵等輔助設(shè)備。當(dāng)主機(jī)正常停止時(shí)，輔助發(fā)動(dòng)機(jī)可以跟隨主機(jī)并以10 s 的延遲自動(dòng)停止。需要注意的是，嚴(yán)禁在啟動(dòng)其他輔助機(jī)器時(shí)開啟主機(jī)部分。

（3）自動(dòng)排空功能。當(dāng)主機(jī)在開啟以及關(guān)閉時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行排空，可以在無負(fù)載的情況下運(yùn)行和關(guān)閉主機(jī)。當(dāng)主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，設(shè)備自動(dòng)分為兩端以減少負(fù)荷，將負(fù)荷減少50%，如果壓力仍然很高則將負(fù)荷減少90%。為了終止減輕負(fù)荷，當(dāng)設(shè)備自動(dòng)或手動(dòng)減輕負(fù)載時(shí)所有級(jí)別的進(jìn)氣和排氣壓力保護(hù)功能均將關(guān)閉，以防止誤報(bào)警。

（4）檢測(cè)并顯示運(yùn)行參數(shù)。設(shè)備操作的各種參數(shù)包括機(jī)油壓力、水壓、排氣壓力、軸承的溫度及潤滑度等，相應(yīng)的壓力變送器和鉑電阻信號(hào)被傳送到PLC 的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和熱阻模塊進(jìn)行數(shù)字化操作，PLC 進(jìn)行數(shù)字過濾、計(jì)算和范圍轉(zhuǎn)換，并顯示實(shí)時(shí)參數(shù)值。文本顯示允許將保護(hù)鏈接的信號(hào)源上載到上位機(jī)，進(jìn)行實(shí)時(shí)操作控制。

（5）保護(hù)系統(tǒng)的建立。通過系統(tǒng)檢測(cè)到的參數(shù)范圍，來判斷設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，當(dāng)參數(shù)值出現(xiàn)異常時(shí)，顯示報(bào)警信號(hào)并強(qiáng)制終止設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)文本顯示出錯(cuò)誤信息時(shí)，可以進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)備處于斷電期間，設(shè)備內(nèi)信息會(huì)完整，并在手動(dòng)重置錯(cuò)誤信號(hào)之前阻止引導(dǎo)。

（6）手動(dòng)和自動(dòng)操作。在開始之前，確保根據(jù)上次停止條件準(zhǔn)備駕駛員的定期檢查，包括駕駛許可信號(hào)的條件、輔助機(jī)器的運(yùn)行條件、勵(lì)磁設(shè)備的條件、高電壓的條件、電壓設(shè)備以及是否由于故障而停止運(yùn)行等，以查看驅(qū)動(dòng)信號(hào)是否有效。如果有效，將向設(shè)備發(fā)出空信號(hào)并自動(dòng)啟動(dòng)輔助設(shè)備。例如，油泵、水泵等以執(zhí)行參數(shù)超限檢測(cè)，如果滿足條件則設(shè)備啟動(dòng)，否則將拒絕。啟動(dòng)主機(jī)后，停止排氣信號(hào)，延遲30 s，直到所有級(jí)別的壓縮缸的進(jìn)氣和排氣壓力達(dá)到限定工作條件，然后進(jìn)入氣動(dòng)參數(shù)保護(hù)鏈接，設(shè)備將切換到正常運(yùn)行狀態(tài)。

（7）讀寫信息，檢測(cè)參數(shù)。該程序的設(shè)計(jì)還考慮了一些容錯(cuò)鏈接，盡可能避免人為原因?qū)е碌墓收稀Ｔ趨?shù)顯示部分中，傳感電路布線的數(shù)量很多且主要分布在系統(tǒng)設(shè)備周圍，發(fā)生故障的可能性很高。為了滿足設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性要求并考慮到顯示的直觀性，添加了多點(diǎn)檢查設(shè)備。它獨(dú)立于PLC 內(nèi)部參數(shù)檢測(cè)程序，既可以獨(dú)立運(yùn)行也可以同時(shí)運(yùn)行，大大提高了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。

（8）手動(dòng)停車和自動(dòng)停車。手動(dòng)停車，當(dāng)駕駛員發(fā)出停車標(biāo)志時(shí)，設(shè)備先排空再停止，然后依次是主機(jī)、輔助發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停止。發(fā)生故障時(shí)，車輛將立即排空并停放，同時(shí)會(huì)發(fā)生聲音和視覺警報(bào)，并且根據(jù)各種類型的故障和參數(shù)，故障文本信息在文本顯示屏顯示，提醒工作人員。

3 活塞式壓縮機(jī)PLC 的應(yīng)用現(xiàn)狀

（1）溫度和壓力信號(hào)接線的干擾問題。使用多點(diǎn)檢查機(jī)時(shí)，顯示值1～2 s 可能會(huì)異常，并且設(shè)備會(huì)意外停止。由于發(fā)生的可能性低，因此時(shí)間和設(shè)備條件不規(guī)則。檢查儀器，如果變送器和耐熱性且接線沒有問題，則儀器防止電磁干擾或干擾的能力很差。更換多點(diǎn)檢查設(shè)備，設(shè)備的檢測(cè)信號(hào)線全部用金屬軟管屏蔽，接線不靠近電機(jī)和電源線，故障排除。

（2）設(shè)備的輸入按鈕信號(hào)與PLC 相結(jié)合。設(shè)備運(yùn)行環(huán)境中振動(dòng)明顯，控制柜配線密集，設(shè)備由500 kW 高壓同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，對(duì)設(shè)備主機(jī)及勵(lì)磁裝置均產(chǎn)生較大的電磁干擾，破壞設(shè)備的操作穩(wěn)定性。為保障設(shè)備操作的完整性，程序中的輸入接觸信號(hào)都設(shè)計(jì)有200～600 m/s 的信息延遲，排除信號(hào)干擾的問題。設(shè)備的輸入按鈕信號(hào)與PLC 相結(jié)合，為設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)提供了一定保障。

（3）設(shè)定溫度值及時(shí)間參數(shù)。由于主要設(shè)備有不同的環(huán)境溫度和工作條件，在操作過程中設(shè)定壓力時(shí)間不同，因此安裝壓力保護(hù)裝置的時(shí)間不同。在操作過程中，保護(hù)輸入時(shí)區(qū)設(shè)定值較為嚴(yán)格，誤報(bào)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定為60 s。冬夏季環(huán)境溫度差異較大，由于級(jí)別設(shè)定的不同，排氣溫度也存在很大差異。除了理論上的高溫保護(hù)外，環(huán)境溫度、壓力值、排氣溫度、冷卻量等也可以確定氣缸的熱交換條件。根據(jù)運(yùn)行時(shí)間和經(jīng)驗(yàn)判斷冷卻器，如果周期不變則冷卻器會(huì)發(fā)生事故。

4 活塞式壓縮機(jī)PLC 的應(yīng)用策略

（1）設(shè)定自定義按鈕，簡化程序。缺乏同類型設(shè)備的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，也沒有模制系統(tǒng)供參考，因此我們觀察到操作員的操作習(xí)慣，同時(shí)考慮了設(shè)備操作的穩(wěn)定性，可靠性和直觀性。設(shè)備檢測(cè)單元范圍和故障指示器信號(hào)系統(tǒng)，使得設(shè)備的外圍電路復(fù)雜化，并且大多數(shù)控制器可以提供自動(dòng)PLC 控制邏輯和手動(dòng)控制輸入。文本顯示器上設(shè)定了自定義按鈕，因此與可編程選項(xiàng)結(jié)合使用時(shí)，可以完全替換外部控制按鈕的大多數(shù)功能。設(shè)定自定義按鈕，簡化了程序，例如系統(tǒng)設(shè)備的重疊部分。提供預(yù)設(shè)按鈕，可以合理使用設(shè)備，簡化接線線路，通過開啟或停止按鈕來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

（2）注重系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)集成。無論自動(dòng)化水平有多高，需要未來的自動(dòng)化工廠完整的智能設(shè)備管理。面對(duì)這些要求，選擇了完整的產(chǎn)品系列和具有強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)功能的可編程控制器。根據(jù)產(chǎn)品介紹，可以使用通信模塊直接配置當(dāng)前的PLC。它是一種基于PLC 標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)，可以通過網(wǎng)絡(luò)控制基本設(shè)備，使設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)集成不僅提高了網(wǎng)絡(luò)速度，還簡化了網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)。

（3）增強(qiáng)采集和計(jì)算功能。PLC 的強(qiáng)大功能，模擬量采集，執(zhí)行功能強(qiáng)大，通過合理的編程就可以完美地完成現(xiàn)有的各個(gè)組件。未來將嘗試由集成電路元件組成的裝置，以減小控制系統(tǒng)的體積并節(jié)省資金。

5 結(jié)束語

活塞式壓縮機(jī)廣泛用于化工等行業(yè)，是主要的壓縮氣體設(shè)備，近年來在生產(chǎn)和商業(yè)活動(dòng)中發(fā)揮著重要作用。傳統(tǒng)的活塞式壓縮機(jī)利用數(shù)字顯示儀表和繼電器來監(jiān)視和控制壓縮機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，容易導(dǎo)致線路分散以及故障點(diǎn)，降低了自動(dòng)化程度以及增加了維護(hù)量。本文通過對(duì)傳統(tǒng)活塞式壓縮機(jī)與活塞式壓縮機(jī)PLC 進(jìn)行對(duì)比，分析活塞式壓縮機(jī)PLC 的應(yīng)用程序及應(yīng)用現(xiàn)狀，探究活塞式壓縮機(jī)PLC 的應(yīng)用策略。