空壓機(jī)組智能群體控制技術(shù)

溫雪媛，李盛健，熊銳博，藍(lán)小棚，陸潤(rùn)年，付曉飛

（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西 柳州 545000）

0 引言

空氣壓縮機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)空壓機(jī)）能夠?qū)⒖諝庥傻蛪毫D(zhuǎn)為高壓力，從而實(shí)現(xiàn)輸出高壓力壓縮壓縮空氣的功能。壓縮空氣是一種工業(yè)領(lǐng)域重要的動(dòng)力源，在機(jī)器人、氣動(dòng)噴槍等工業(yè)設(shè)備中起到關(guān)鍵作用，因此在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

空壓機(jī)主要分為螺桿式空壓機(jī)與離心式空壓機(jī)。螺桿式空壓機(jī)主要特點(diǎn)是體積較小，易損件較少便于維護(hù)，進(jìn)排氣均勻且無(wú)壓力脈沖。離心式空壓機(jī)主要特點(diǎn)是體積較大，維護(hù)、操作要求較高，排氣量變化會(huì)對(duì)機(jī)械運(yùn)行效率產(chǎn)生較大影響。螺桿式空壓機(jī)相較于離心式空壓機(jī)單位功耗產(chǎn)氣量更小，因此在應(yīng)對(duì)高壓縮空氣需求時(shí)，工廠必然投入多臺(tái)離心式空壓機(jī)與螺桿式空壓機(jī)，設(shè)定不同的空壓機(jī)加載組合來(lái)應(yīng)對(duì)廠區(qū)用氣需求[1]。

包含多臺(tái)不同型號(hào)的大型空壓站內(nèi)，在日常生產(chǎn)投入中，通常會(huì)出現(xiàn)供氣壓力不穩(wěn)定、操作空壓機(jī)啟停響應(yīng)時(shí)間慢、空壓機(jī)操作不當(dāng)導(dǎo)致耗能過(guò)高、經(jīng)常需要工人穿梭空壓站房的高噪聲環(huán)境等問(wèn)題。針對(duì)以上在實(shí)際生產(chǎn)中遇到的難點(diǎn)，本文以采集并讀取空壓機(jī)關(guān)鍵數(shù)據(jù)為切入點(diǎn)，通過(guò)在電腦端建立視窗監(jiān)視與控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)群組啟停智能控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

首先使用PLC 與PC 組成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行關(guān)鍵信號(hào)采集，對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、控制、報(bào)警與數(shù)據(jù)記錄。控制系統(tǒng)中下位機(jī)選用西門(mén)子S7-1200PLC，其具有模塊化、結(jié)構(gòu)緊湊、功能全面等特點(diǎn)，適用于多種應(yīng)用，能夠保障現(xiàn)有投資的長(zhǎng)期安全。由于控制器的可擴(kuò)展和靈活設(shè)計(jì)特點(diǎn)，其通信接口符合工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)以及其廣泛的集成技術(shù)特性，使其能夠參與建立一個(gè)完整的自動(dòng)化綜合解決方案。

系統(tǒng)上位機(jī)選用符合企業(yè)要求的普通微型計(jì)算機(jī)，可在該計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝SIMATIC WinCC V7 組態(tài)軟件，搭建人機(jī)交互界面從而實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)顯示與多樣化控制的功能。WinCC 系統(tǒng)能提供可視任務(wù)所需的組件、函數(shù)、腳本、報(bào)警、趨勢(shì)和報(bào)表的編輯器?；鞠到y(tǒng)中的歷史數(shù)據(jù)歸檔以較高的壓縮比進(jìn)行長(zhǎng)期數(shù)據(jù)歸檔，并具有數(shù)據(jù)導(dǎo)出和備份功能。WinCC 可以與多種自動(dòng)化設(shè)備及控制軟件集成，它是一個(gè)高度開(kāi)放的過(guò)程可視化系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)更大程度的生產(chǎn)過(guò)程透明性。還需要安裝Siemens Simatic TIA Portal V16 軟件，通過(guò)該軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)西門(mén)子S7-1200PLC 的編程，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)群組智能控制。空壓機(jī)群組智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)傳感器用于采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，其中的溫度信號(hào)、電流信號(hào)與壓力信號(hào)經(jīng)智能模塊RS485 傳送至上位機(jī)程序接口，經(jīng)變送以PLC 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)形式傳送至上位機(jī)。系統(tǒng)通過(guò)在壓縮機(jī)的排氣口安裝壓力及溫度傳感器，對(duì)壓縮機(jī)的排氣壓力和溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)并對(duì)冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)和電機(jī)等的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集?，F(xiàn)場(chǎng)傳感器用于采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，溫度和電流信號(hào)通過(guò)智能模塊RS485 發(fā)送到上位機(jī)程序接口，其他信號(hào)通過(guò)PLC 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)上傳至上位機(jī)。本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)排氣壓力和溫度，并通過(guò)安裝壓力和溫度傳感器檢測(cè)相應(yīng)信號(hào)，將冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度、壓力數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。控制柜包含了啟停無(wú)源信號(hào)、運(yùn)行燈、報(bào)警燈等開(kāi)關(guān)量信號(hào)，以及電動(dòng)機(jī)的電量參數(shù)等模擬量信號(hào)[2]。

變頻器在空壓機(jī)的運(yùn)行中起著變頻啟動(dòng)、穩(wěn)定供風(fēng)、保護(hù)設(shè)備及節(jié)能降耗的作用。但是在實(shí)際的工作中，變頻器的使用又引發(fā)了諧波干擾問(wèn)題，影響了附近的電力及控制設(shè)備，造成了電機(jī)額定功率下的溫升增加等。在空壓機(jī)運(yùn)行中，變頻器起到變頻啟動(dòng)、穩(wěn)定供氣、保護(hù)設(shè)備、節(jié)能降耗等作用。但在實(shí)踐中，使用變頻器會(huì)造成諧波干擾影響附近電力控制設(shè)施和控制設(shè)備的問(wèn)題，導(dǎo)致在電機(jī)額定功率內(nèi)溫升增加等問(wèn)題。

1.2 空壓機(jī)節(jié)能群控系統(tǒng)原理

空壓機(jī)群控的核心在于實(shí)現(xiàn)供氣端與用氣端之間的平衡關(guān)系[3]。如圖2 所示，空壓機(jī)組為供氣端，廠區(qū)用氣設(shè)備為用氣端，空壓機(jī)組為廠區(qū)用氣設(shè)備供氣時(shí)，壓縮空氣壓力值保持在較穩(wěn)定的波動(dòng)范圍內(nèi)，且壓縮空氣壓力波動(dòng)范圍值盡可能接近用氣設(shè)備所需的最低壓縮空氣壓力。壓縮空氣壓力進(jìn)行變化時(shí)，可優(yōu)先使用裝有變頻機(jī)的大功率螺桿式空壓機(jī)應(yīng)對(duì)氣壓波動(dòng)；氣壓波動(dòng)更大的時(shí)候再使用多臺(tái)較小功率螺桿式空壓機(jī)進(jìn)行調(diào)控；為保障生產(chǎn)安全，當(dāng)空壓機(jī)存在安全系數(shù)超出安全范圍時(shí)立即減載該空壓機(jī)并加載合適的空壓機(jī)，加快問(wèn)題處理響應(yīng)速度，保障生產(chǎn)安全。這樣可以盡量減少壓縮空氣供氣量浪費(fèi)，使供氣量盡可能接近與用氣需求量，從而達(dá)到減少耗電量的目的?？諌簷C(jī)群控節(jié)能措施主要為以下3 點(diǎn)：螺桿式空壓機(jī)輪換啟停機(jī)制、變頻機(jī)自動(dòng)調(diào)控、特定情況自動(dòng)開(kāi)關(guān)機(jī)。螺桿式空壓機(jī)輪換啟停機(jī)制作用為避免某一空壓機(jī)因氣壓波動(dòng)頻繁加減載，導(dǎo)致空壓機(jī)損耗增加；變頻機(jī)自動(dòng)控制作用為通過(guò)PID 控制，使空壓機(jī)電機(jī)頻率自動(dòng)變化，保持壓縮空氣氣壓穩(wěn)定在設(shè)定值，減少壓縮空氣供應(yīng)浪費(fèi)從而在滿足供氣需求時(shí)降低電耗；特定情況自動(dòng)開(kāi)關(guān)機(jī)作用為當(dāng)空壓機(jī)內(nèi)部關(guān)鍵參數(shù)超出預(yù)警值時(shí)，及時(shí)關(guān)停問(wèn)題設(shè)備并及時(shí)加載其他空壓機(jī)保持氣壓穩(wěn)定，避免空壓機(jī)問(wèn)題運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致空壓機(jī)電機(jī)損壞，產(chǎn)生不必要的損失。以下為空壓機(jī)節(jié)能群控具體措施。

圖2 壓縮空氣供給平衡

1.2.1 螺桿式空壓機(jī)輪換啟停機(jī)制

螺桿式空壓機(jī)輪換啟停機(jī)制功能可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)螺桿式空壓機(jī)循環(huán)處于加載待機(jī)狀態(tài)。螺桿式空壓機(jī)若頻繁進(jìn)行加減載動(dòng)作，對(duì)空壓機(jī)的效率與壽命會(huì)造成不良影響，且危及站房設(shè)備安全，增加安全隱患。

空壓機(jī)加減載是空壓機(jī)正常運(yùn)作的一部分，但空壓機(jī)頻繁加減載會(huì)對(duì)空壓機(jī)造成大的傷害?？諌簷C(jī)頻繁加卸載會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣閥、泄放閥、氣缸、最小壓力閥等閥門(mén)損壞。當(dāng)空壓機(jī)頻繁加減載，空壓機(jī)電機(jī)在輕重負(fù)載頻繁更換的整個(gè)過(guò)程中需要很長(zhǎng)時(shí)間，會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞電機(jī)和主機(jī)滾動(dòng)軸承。與此同時(shí)空壓機(jī)耗電量增加，輸出單位體積的壓縮空氣時(shí)需要更多的電力消耗，產(chǎn)出能效低。因此，在上位機(jī)的微型計(jì)算機(jī)處可編寫(xiě)程序，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)小螺桿機(jī)輪換處于加載待機(jī)狀態(tài)。即當(dāng)前設(shè)置一種螺桿機(jī)加減載順序，當(dāng)壓縮空氣管道壓力超過(guò)相應(yīng)的氣壓控制上下限時(shí)，加載或減載螺桿機(jī)；每隔1h，改變一次螺桿機(jī)加減載順序，使得不同的螺桿機(jī)均可存在啟停機(jī)會(huì)，而不是頻繁啟停某個(gè)螺桿機(jī)，從而避免出現(xiàn)頻繁加載某一螺桿機(jī)的情況。

1.2.2 變頻機(jī)自動(dòng)調(diào)控

變頻機(jī)一般都安裝在較大功率的螺桿機(jī)，該功能可以根據(jù)變頻機(jī)的具體情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率螺桿機(jī)的合理控制。利用模糊PID 技術(shù)，控制變頻機(jī)的轉(zhuǎn)速。模糊控制PID 能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整三個(gè)PID 參數(shù)。利用模糊邏輯并根據(jù)一定的模糊規(guī)則對(duì)PID 的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的優(yōu)化，以克服傳統(tǒng)PID 參數(shù)無(wú)法實(shí)時(shí)調(diào)整PID 參數(shù)的缺點(diǎn)。

利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的空壓機(jī)出口壓縮空氣壓力值，將其反饋至PID 模糊控制的輸入端，通過(guò)找出PID 的3個(gè)參數(shù)與誤差和誤差變化率的關(guān)系，對(duì)PID 的3 個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。由此可實(shí)現(xiàn)變頻機(jī)穩(wěn)定輸出，應(yīng)對(duì)壓縮空氣壓力波動(dòng)，如圖3 所示。

圖3 壓力模糊控制

1.2.3 特定情況自動(dòng)開(kāi)關(guān)機(jī)

該功能可在特定情況下使小空壓機(jī)機(jī)自動(dòng)加減載。當(dāng)空壓機(jī)出現(xiàn)電機(jī)溫度過(guò)高或電流過(guò)高時(shí)，此時(shí)會(huì)在上位機(jī)處的人機(jī)交互界面進(jìn)行報(bào)警，該空壓機(jī)將進(jìn)入危險(xiǎn)的運(yùn)行環(huán)境。若此時(shí)正處于為廠區(qū)生產(chǎn)持續(xù)供氣過(guò)程中，若不能及時(shí)關(guān)閉出現(xiàn)報(bào)警的空壓機(jī)或開(kāi)啟其他空壓機(jī)保證壓縮空氣壓力，會(huì)對(duì)空壓機(jī)造成較大損壞，且可能會(huì)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)造成較大影響。因此出現(xiàn)空壓機(jī)警報(bào)信號(hào)時(shí)，可利用程序使得出現(xiàn)報(bào)警信號(hào)的空壓機(jī)及時(shí)卸載，并根據(jù)螺桿式空壓機(jī)輪換加載待機(jī)程序，及時(shí)加載已經(jīng)處于加載待機(jī)的螺桿式空壓機(jī)，保證生產(chǎn)供氣穩(wěn)定性[4]。

2 PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 PLC 的選擇

本文使用的PLC 為西門(mén)子系列的S7-1200PLC，該P(yáng)LC 中的每一種模塊都可以進(jìn)行擴(kuò)展，本文選擇的為CPU 1211C?？稍谌蜟PU 的前方加入一個(gè)信號(hào)板，輕松擴(kuò)展數(shù)字或模擬量I/O，同時(shí)不影響控制器的實(shí)際大小。可將信號(hào)模塊連接至CPU 的右側(cè)，進(jìn)一步擴(kuò)展數(shù)字量或模擬量I/O 容量。

2.2 傳感器的選擇

本系統(tǒng)使用的溫度傳感器為KTY84 溫度傳感器。KTY84 溫度傳感器芯片結(jié)構(gòu)基于擴(kuò)散電阻原理，主要成分是硅，硅天性穩(wěn)定，測(cè)量范圍內(nèi)都具有實(shí)際在線線性的溫度系數(shù)，確保了溫度測(cè)量的高精確度。所以此類(lèi)具有精度高、可靠性高和穩(wěn)定性強(qiáng)以及正溫度系數(shù)的特點(diǎn)。

2.3 繼電器的選擇

相序保護(hù)可采用相序繼電器，當(dāng)電路中相序與指定相序不符時(shí)，相序繼電器將觸發(fā)動(dòng)作，切斷控制電路的電源從而達(dá)到切斷電動(dòng)機(jī)電源、保護(hù)電動(dòng)機(jī)的目的[5]。

3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

通過(guò)WinCC 搭建人機(jī)交互界面，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)顯示與多樣化控制的功能。WinCC 基本系統(tǒng)具有各種標(biāo)準(zhǔn)功能，入過(guò)程值的監(jiān)測(cè)與控制，事件觸發(fā)與確認(rèn)，測(cè)量值與消息的通知與記錄，以及用戶管理等等。人機(jī)交互監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具備以下特點(diǎn)。

（1）空壓機(jī)遠(yuǎn)程啟?？刂?。空壓機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制與手動(dòng)控制切換的功能。在自動(dòng)控制下，根據(jù)編寫(xiě)好的空壓機(jī)啟停程序，使螺桿式空壓機(jī)在管道氣壓高于設(shè)定值時(shí)，按照設(shè)定的順序自動(dòng)減載相應(yīng)螺桿機(jī)；在管道氣壓低于設(shè)定值時(shí)，按照設(shè)定的順序自動(dòng)加載相應(yīng)螺桿機(jī)。并且變頻機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)自動(dòng)減載螺桿機(jī)。同時(shí)系統(tǒng)還應(yīng)該具有故障情況下的保護(hù)性停機(jī)，比如螺桿機(jī)電機(jī)溫度超出設(shè)定的安全值時(shí)，應(yīng)立即報(bào)警并自動(dòng)減載該故障螺桿機(jī)。

（2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢測(cè)。各空壓機(jī)應(yīng)該有各自的空壓機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示畫(huà)面，當(dāng)點(diǎn)擊某空壓機(jī)圖標(biāo)畫(huà)面是即可顯示該空壓機(jī)數(shù)據(jù)顯示窗口，顯示該螺桿機(jī)內(nèi)三相電機(jī)的相電壓、相電流、有功功率以及功率因數(shù)，電機(jī)與潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度，螺桿機(jī)產(chǎn)氣速率等數(shù)據(jù)。并且可顯示并記錄當(dāng)前空壓機(jī)產(chǎn)氣量與用電量比值，用來(lái)呈現(xiàn)該螺桿機(jī)運(yùn)行效率。由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)組成的空壓機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)，可利用WinCC 腳本系統(tǒng)編寫(xiě)腳本，從而計(jì)算想要的數(shù)據(jù)。

（3）空壓機(jī)組形象展示?？刹捎媚M圖片素材與動(dòng)畫(huà)效果展現(xiàn)空壓機(jī)組運(yùn)行畫(huà)面，可使用WinCC 提供的庫(kù)文件進(jìn)行編制，并使用WinCC 自帶的腳本功能編制腳本，實(shí)現(xiàn)自己想要的顯示功能。

（4）數(shù)據(jù)查詢(xún)與報(bào)表記錄。使用OPC 通信技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)以上位機(jī)為服務(wù)器的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，并利用sql 數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與存儲(chǔ)，并使用WinCC 報(bào)表系統(tǒng)制作相應(yīng)數(shù)據(jù)的日?qǐng)?bào)表與月報(bào)表，記錄空壓機(jī)內(nèi)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與壓縮空氣壓力與流量數(shù)據(jù)。

（5）報(bào)警保護(hù)機(jī)制。當(dāng)空壓機(jī)電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)超出安全范圍時(shí)，若不及時(shí)發(fā)出報(bào)警并通知相關(guān)負(fù)責(zé)人，會(huì)有較大的安全隱患與供氣風(fēng)險(xiǎn)，從而影響生產(chǎn)。首先可設(shè)置聲光報(bào)警機(jī)制，當(dāng)空壓機(jī)內(nèi)部參數(shù)超出安全范圍時(shí)在上位機(jī)發(fā)出聲光報(bào)警，提醒值班人員；還可增加遠(yuǎn)程無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)，通過(guò)短信的方式直接將報(bào)警信息發(fā)送至設(shè)備負(fù)責(zé)人的手機(jī)中。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，空壓機(jī)組智能群體控制技術(shù)是根據(jù)多臺(tái)不同型號(hào)的螺桿式空壓機(jī)同時(shí)運(yùn)行的時(shí)候，所采取的一種智能化節(jié)能控制方式。與單臺(tái)或少量空壓機(jī)運(yùn)行方式不同，多臺(tái)不同型號(hào)的空壓機(jī)群控控制更適用于壓縮空氣使用量較大的企業(yè)或工廠，靈活控制多臺(tái)空壓機(jī)，確保壓縮空氣供應(yīng)的智能化與節(jié)能化。