基于PLC的空氣壓縮機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐杰

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002）

0 引言

空氣壓縮機(jī)是基于空氣分離技術(shù)和壓縮技術(shù)的機(jī)械設(shè)備，由于其性能優(yōu)越、操作簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到醫(yī)療、化工、鋼鐵等多個(gè)領(lǐng)域中，比如醫(yī)療用品氧氣瓶或者氧氣袋，其制作就是應(yīng)用空氣壓縮機(jī)將高純度的氧氣壓縮到袋內(nèi)和瓶?jī)?nèi)?？諝鈮嚎s機(jī)運(yùn)行是否平穩(wěn)，直接關(guān)系到相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)數(shù)量，同時(shí)還關(guān)系到產(chǎn)品安全問(wèn)題，因此對(duì)空氣壓縮機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化控制，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品批量化生產(chǎn)的關(guān)鍵。20世紀(jì)80年代，美國(guó)開(kāi)展了空氣壓縮機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，推出了世界上第一套自動(dòng)控制系統(tǒng)，但是由于該項(xiàng)技術(shù)還不夠成熟，該套自動(dòng)控制理論并不適用于空氣壓縮機(jī)自動(dòng)控制。隨后，英國(guó)學(xué)者在其基礎(chǔ)上對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化和完善，豐富了空氣壓縮機(jī)自動(dòng)控制理論。國(guó)內(nèi)空氣壓縮機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)起步比較晚，雖然近幾年掀起了空氣壓縮機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究熱潮，并取得了一定的研究成果，但是現(xiàn)有的系統(tǒng)仍然存在一定問(wèn)題，在網(wǎng)絡(luò)過(guò)載、運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、控制指令較多時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)死機(jī)和停運(yùn)現(xiàn)象，這種表現(xiàn)表明了現(xiàn)有系統(tǒng)魯棒性較差，已經(jīng)無(wú)法滿足空氣壓縮機(jī)自動(dòng)控制需求，為此提出基于PLC的空氣壓縮機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件方面設(shè)計(jì)可編程邏輯控制器（PLC）和傳感器，利用PLC對(duì)空氣壓縮機(jī)運(yùn)行邏輯進(jìn)行控制，利用無(wú)線傳感器采集電流、電壓、流量以及壓力等數(shù)據(jù)；系統(tǒng)軟件方面，由信號(hào)輸入單元對(duì)信號(hào)進(jìn)行壓縮、放大等處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集，利用模糊控制法對(duì)空氣壓縮機(jī)運(yùn)行誤差進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的控制。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)硬件主要由可編程邏輯控制器（PLC）、傳感器兩部分組成，除此之外，還包括一些基礎(chǔ)性硬件，比如服務(wù)器、顯示器、鼠標(biāo)等，這些基礎(chǔ)性硬件在此不做過(guò)多說(shuō)明，系統(tǒng)硬件拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 空氣壓縮機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件拓?fù)鋱D

如圖1所示，PLC 根據(jù)系統(tǒng)控制邏輯，生成空氣壓縮機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集任務(wù)，發(fā)送給傳感器，控制傳感器對(duì)空氣壓縮機(jī)壓力、電流、電壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后將其反饋給PLC，PLC 根據(jù)空氣壓縮機(jī)常規(guī)運(yùn)行邏輯，識(shí)別到異常狀態(tài)，并生成相應(yīng)的控制指令發(fā)送到系統(tǒng)計(jì)算機(jī)上，并對(duì)空氣壓縮機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制，使其恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。

1.1 可編程邏輯控制器（PLC）設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，此次將可編程邏輯控制器（PLC）作為空氣壓縮機(jī)控制裝置，采用型號(hào)為KIDSH/5545PLC，選用STM56SFF565 單片機(jī)作為PLC 控制芯片，其由單片機(jī)、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和CPIO 端口四部分組成，采用串聯(lián)的方式將PLC 與系統(tǒng)電源總線連接，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)接口與局域網(wǎng)連接，與傳感器和空氣壓縮機(jī)聯(lián)網(wǎng)。通過(guò)CPIO 端口向傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)采集任務(wù)，并通過(guò)該端口接收到傳感器采集的氣壓、電流和電壓等信號(hào)，由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將采集的模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，發(fā)送給STM56SFF565 單片機(jī)。單片機(jī)事先學(xué)習(xí)空氣壓縮機(jī)運(yùn)行程序，根據(jù)采集到的信號(hào)生成控制指令，根據(jù)空氣壓縮機(jī)自動(dòng)控制需求，設(shè)計(jì)了AT+CIPCLOSE 開(kāi)關(guān)關(guān)閉、AT+CIPOUP 開(kāi)關(guān)開(kāi)啟、AT+CIPIOEW 出口壓力初始化、AT+CIPWRYY 進(jìn)口流量初始化四個(gè)控制指令，程序存儲(chǔ)器根據(jù)控制指令生成控制程序并存儲(chǔ)。如果當(dāng)前空氣壓縮機(jī)電流和電壓超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，則需要關(guān)閉空氣壓縮機(jī)開(kāi)關(guān)，如果當(dāng)前空氣壓縮機(jī)開(kāi)關(guān)自動(dòng)跳閘，電壓和電流為零，則需要開(kāi)啟開(kāi)關(guān)，生成的關(guān)閉開(kāi)關(guān)控制邏輯編碼為“0”，生成的開(kāi)啟開(kāi)關(guān)控制邏輯編碼為“1”，如果當(dāng)前空氣壓縮機(jī)出口壓力和進(jìn)口流量超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，則需要將該兩個(gè)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行初始化，生成的出口壓力初始化控制邏輯編碼為“-1”，生成的進(jìn)口流量輸出化控制邏輯編碼為“2”，通過(guò)執(zhí)行以上四個(gè)控制邏輯，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣壓縮機(jī)自動(dòng)控制。

1.2 傳感器設(shè)計(jì)

傳感器的作用是采集空氣壓縮機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，要實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣壓縮機(jī)的全面控制，需要了解到空氣壓縮機(jī)的電流、電壓、壓力以及流量等信息，故在系統(tǒng)中安裝了型號(hào)為HSFA/5264 電流傳感器、型號(hào)為SFHAR-5624 電壓傳感器，以及IADYH/25564 壓力流量傳感器，使用伺服電機(jī)為三個(gè)傳感器提供電源，獨(dú)立電源的設(shè)置方便系統(tǒng)電源故障排查。利用USB 接口將傳感器與空氣壓縮機(jī)連接，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)傳感器的采集頻率、周期等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，考慮到空氣壓縮機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)量較大，為傳感器配備32 GB 硬盤(pán)，由讀卡器自動(dòng)讀取到傳感器采集的數(shù)據(jù)信號(hào)，將其存儲(chǔ)到硬盤(pán)中，由硬盤(pán)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)存儲(chǔ)，供系統(tǒng)計(jì)算使用。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集

采集對(duì)象主要包括空氣壓縮機(jī)的出口壓力、進(jìn)口流量、電源電壓和電流，傳感器輸出的出口壓力和進(jìn)口電流信號(hào)為0 ～15 V 的電壓模擬信號(hào)，模擬信號(hào)從信號(hào)輸入端進(jìn)入，由一級(jí)反向加法單元對(duì)信號(hào)進(jìn)行壓縮處理，再經(jīng)過(guò)一級(jí)放大單元對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，將壓力和流量等信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，其表達(dá)式為：

式（1）中，表示信號(hào)輸入端壓力和流量等信號(hào)轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)；表示原始信號(hào)；表示一級(jí)反向加法單元對(duì)信號(hào)的壓縮倍數(shù)；表示一級(jí)放大單元對(duì)信號(hào)的放大倍數(shù)。正常情況下空氣壓縮機(jī)電路信號(hào)比較小，需要對(duì)其進(jìn)行放大處理，故對(duì)于空氣壓縮機(jī)電路信號(hào)的采集，采用信號(hào)放大單元對(duì)空氣壓縮機(jī)電壓、電流進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換，得到空氣壓縮機(jī)輸出線路上的電路信號(hào)，在空氣放大單元內(nèi)將空氣壓縮機(jī)的額定輸入電流和輸出電流的比值進(jìn)行設(shè)定，利用該參數(shù)限定空氣壓縮機(jī)電路流量，其用公式表示為：

式（2）中，表示空氣壓縮機(jī)電源線路的電流值；表示空氣壓縮機(jī)電路中的母線電壓；、表示兩個(gè)限流電阻?？諝鈮嚎s機(jī)電流經(jīng)過(guò)采樣電阻，可以得到空氣壓縮機(jī)二次側(cè)的電壓：

式（3）中，表示空氣壓縮機(jī)的二次側(cè)電壓值；表示空氣壓縮機(jī)采樣電阻值。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行放大處理，獲取到空氣壓縮機(jī)的輸出電壓信號(hào)：

式（4）中，表示經(jīng)過(guò)放大處理后的空氣壓縮機(jī)輸出電壓信號(hào)；表示信號(hào)放大單元對(duì)信號(hào)的放大倍數(shù)。

2.2 模糊控制

利用模糊控制法對(duì)采集的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分析，判斷空氣壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，從而對(duì)其進(jìn)行模糊控制。假設(shè)在同一時(shí)間域內(nèi)，空氣壓縮機(jī)的電流、電壓、壓力以及流量的數(shù)據(jù)集分別為、、、，將其與空氣壓縮機(jī)各項(xiàng)參數(shù)允許限值進(jìn)行比對(duì)，得到空氣壓縮機(jī)運(yùn)行偏差量：

式（5）中，表示空氣壓縮機(jī)運(yùn)行偏差；x、y、g、k分別表示各項(xiàng)參數(shù)集合中的最大值；、、、表示空氣壓縮機(jī)各項(xiàng)參數(shù)允許限值。利用量化因子將空氣壓縮機(jī)運(yùn)行誤差進(jìn)行量化處理，其公式為：

式（6）中，H表示量化后的空氣壓縮機(jī)運(yùn)行誤差；表示量化因子。量化后的運(yùn)行誤差范圍在0 ～1 內(nèi)，對(duì)量化后的運(yùn)行誤差進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)，以0.5 作為一個(gè)評(píng)判界線。如果運(yùn)行誤差超過(guò)0.5，則表示空氣壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)非常差，需要關(guān)閉開(kāi)關(guān)，停止運(yùn)行對(duì)其進(jìn)行檢修；如果運(yùn)行誤差小于0.5，則表示空氣壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)只是輕微的異常，將超出運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)值進(jìn)行初始化，保證其正常運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其自動(dòng)化控制，進(jìn)而完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)論證分析

實(shí)驗(yàn)以某空氣壓縮機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該空氣壓縮機(jī)型號(hào)為KADF/56945，利用此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)該空氣壓縮機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備了一臺(tái)可編程邏輯控制器、一臺(tái)壓力傳感器、一臺(tái)電流傳感器和一臺(tái)電壓傳感器，將傳感器的數(shù)據(jù)采集周期設(shè)定為0.15 s，采集頻率設(shè)定為0.26 Hz，將可編程邏輯控制器控制周期設(shè)定為0.55 s，控制頻率設(shè)定為0.34 Hz。實(shí)驗(yàn)共采集到2.15 GB 空氣壓縮機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)處理、分析，形成控制指令并執(zhí)行，具體控制情況如表1所示。

表1 空氣壓縮機(jī)自動(dòng)控制情況

從表1 中數(shù)據(jù)可以看出，設(shè)計(jì)系統(tǒng)空氣壓縮機(jī)自動(dòng)控制功能可以正常使用，并且能夠快速執(zhí)行所有控制指令。為了進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠性，實(shí)驗(yàn)以魯棒性和系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸性能作為此次實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，魯棒性是指系統(tǒng)在超負(fù)載運(yùn)行下不死機(jī)、不崩潰，實(shí)驗(yàn)共分八組，每組實(shí)驗(yàn)在前一組運(yùn)行時(shí)間基礎(chǔ)上增加12 h，網(wǎng)絡(luò)過(guò)載增加10%，控制指令增加5.5%，每組實(shí)驗(yàn)時(shí)間為8 h，第一組實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行72 h 之后，開(kāi)始記錄8 h 之內(nèi)系統(tǒng)死機(jī)時(shí)間，死機(jī)時(shí)間越長(zhǎng)，表示系統(tǒng)魯棒性能越差，死機(jī)時(shí)間越短表示系統(tǒng)魯棒性能越好，利用SFAU 軟件測(cè)量每組實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)系統(tǒng)死機(jī)時(shí)間，通過(guò)該指標(biāo)對(duì)比兩種性能魯棒性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 兩種系統(tǒng)魯棒性對(duì)比

通過(guò)對(duì)表2 中數(shù)據(jù)分析可以得出以下結(jié)論：設(shè)計(jì)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中死機(jī)時(shí)間比較短，最長(zhǎng)死機(jī)時(shí)間僅為1.41 s，在超負(fù)載運(yùn)行情況下可以將死機(jī)時(shí)間控制在2 s 以內(nèi)，說(shuō)明設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有良好的魯棒性；而傳統(tǒng)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中死機(jī)時(shí)間最長(zhǎng)已經(jīng)達(dá)到24.16 s，最短死機(jī)時(shí)間為15.36 s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于設(shè)計(jì)系統(tǒng)，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了，設(shè)計(jì)系統(tǒng)魯棒性優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的生存能力。

當(dāng)系統(tǒng)服務(wù)器建立連接后，每隔5 s 服務(wù)器向傳感器發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)采集任務(wù)，傳感器每次上傳數(shù)據(jù)的字節(jié)大小要比上一次增加4 個(gè)字節(jié)，使用OUAD 軟件監(jiān)測(cè)傳感器采集數(shù)據(jù)包上傳速率，對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸性能驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 兩種系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率對(duì)比圖

從圖2 可以看出，隨著上傳數(shù)據(jù)字節(jié)的增大，設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度波動(dòng)變化不大，均在7 500 bps 以上，超出了最低限值，說(shuō)明設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠快速傳輸空氣壓縮機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)包；而傳統(tǒng)系數(shù)數(shù)據(jù)傳輸速率會(huì)隨著數(shù)據(jù)字節(jié)的增大而逐漸減慢，從圖2 中兩個(gè)變化曲線對(duì)比，可以明顯地看出設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸性能優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，更適用于空氣壓縮機(jī)自動(dòng)控制。

4 結(jié)論

此次在傳統(tǒng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，應(yīng)用PLC對(duì)空氣壓縮機(jī)進(jìn)行控制，提出了一個(gè)新的空氣壓縮機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有較好的魯棒性，有助于提供空氣壓縮機(jī)控制的自動(dòng)化水平，同時(shí)還有助于提高空氣壓縮機(jī)生產(chǎn)效率，為空氣壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行提供了技術(shù)保障，具有良好的現(xiàn)實(shí)意義。但是由于該系統(tǒng)尚未在實(shí)際中大量操作和應(yīng)用，在某些方面可能存在一些不足之處，今后會(huì)對(duì)該系統(tǒng)優(yōu)化和創(chuàng)新方面進(jìn)行研究，為空氣壓縮機(jī)自動(dòng)控制提供有力的理論支撐。