基于PLC的空氣壓縮機(jī)恒壓供氣節(jié)能控制系統(tǒng)

［關(guān)鍵詞］PLC技術(shù)；空氣壓縮機(jī)；恒壓供氣系統(tǒng)；節(jié)能控制；控制策略

1 PLC技術(shù)基礎(chǔ)

1.1 PLC基本概念和工作原理

PLC（可編程邏輯控制器）是一種專用于工業(yè)控制領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)設(shè)備，能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的程序自動(dòng)執(zhí)行各種控制任務(wù)。其基本概念源于20世紀(jì)60年代，隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展而逐漸成熟。PLC的工作原理基于輸入、處理和輸出的過程。PLC通過數(shù)字或模擬輸入模塊接收來自傳感器、按鈕、開關(guān)等外部設(shè)備的信號，這些信號經(jīng)過處理后，作為輸入數(shù)據(jù)傳送至PLC的中央處理單元（CPU）。CPU根據(jù)預(yù)先編寫的控制程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理，并根據(jù)結(jié)果控制輸出模塊輸出信號，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器、閥門、電機(jī)等執(zhí)行設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。

1.2 PLC的編程語言及特點(diǎn)

PLC的編程語言指用于編寫控制程序的語言，常見的有梯形圖（LadderDiagram，簡稱LD）、指令列表（InstructionList，簡稱IL）、功能塊圖（FunctionBlockDiagram，簡稱FBD）等。梯形圖是最常用的一種編程語言，其類似于電氣圖，易于理解和編寫。指令列表是一種類似于匯編語言的低級語言，適用于對程序執(zhí)行速度有嚴(yán)格要求的場景。功能塊圖則以函數(shù)塊為基本單元，適用于對程序模塊化和結(jié)構(gòu)化要求較高的場景。PLC編程語言的選擇取決于具體的應(yīng)用場景和程序員的編程習(xí)慣。

PLC具有穩(wěn)定可靠等諸多特點(diǎn)，并且針對工業(yè)環(huán)境優(yōu)化了PLC的硬件設(shè)計(jì)和操作系統(tǒng)，抗干擾能力和穩(wěn)定性較高，在惡劣的工況下也能可靠運(yùn)行。PLC靈活度較高，能夠根據(jù)不同的制作需要編寫不同的控制程式，達(dá)到各種復(fù)雜的控制邏輯。同時(shí)，PLC的維護(hù)調(diào)試比較簡單，通過軟件工具就可以進(jìn)行網(wǎng)上調(diào)試和程序修改，使得設(shè)備的可維護(hù)性和操作性都有了極大地提高。

1.3 應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的PLC

PLC在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用十分廣泛，用于控制輸送帶、機(jī)器人、注塑機(jī)等生產(chǎn)過程中的各種設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，在生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中得到了充分的應(yīng)用。環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)采用PLC，通過對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集傳感器數(shù)據(jù)的監(jiān)測，可對空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)等設(shè)備進(jìn)行控制，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的條件實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的自動(dòng)調(diào)整。PLC還應(yīng)用于電力系統(tǒng)控制、交通信號控制、建筑自動(dòng)化控制等領(lǐng)域，為各種工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用提供可靠的控制手段。

2 空氣壓縮機(jī)及其恒壓供氣系統(tǒng)

2.1 空氣壓縮機(jī)工作原理及分類

空壓機(jī)是以氣體壓縮定律為工作原理，將環(huán)境空氣壓縮到一定壓力的機(jī)械設(shè)備。工作時(shí)，空氣經(jīng)壓縮機(jī)內(nèi)壓縮腔體通過壓縮機(jī)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，氣體經(jīng)壓縮后由壓縮機(jī)出氣口排出，使壓力升高。空壓機(jī)的分類主要有兩類，一類是正位機(jī)，一類是離心機(jī)。正位壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定，常見的有活塞式壓縮機(jī)和螺桿式壓縮機(jī)，其通過不斷減少氣體的容積來提高氣體的壓力。而離心壓縮機(jī)則通過轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)，在大流量空氣壓縮的場合，以高效率、低能耗的特性壓縮氣體。

2.2 恒壓供氣系統(tǒng)的基本原理

恒壓供氣系統(tǒng)是一種根據(jù)氣動(dòng)設(shè)備的需求自動(dòng)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)輸出壓力的系統(tǒng)，其基本原理是通過壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測氣體壓力，根據(jù)設(shè)定的壓力值調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的輸出功率，保持供氣系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。在恒壓供氣系統(tǒng)中，壓縮機(jī)通常配備了變頻器或調(diào)速器，可根據(jù)壓力變化調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出功率，以實(shí)現(xiàn)對壓縮機(jī)的精確控制。

3 基于PLC的空氣壓縮機(jī)恒壓供氣節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于PLC的空氣壓縮機(jī)恒壓供氣節(jié)能控制系統(tǒng)總體架構(gòu)主要包括控制器、傳感器、執(zhí)行器和通信模塊等部分?？刂葡到y(tǒng)采用分散式控制架構(gòu)，即將控制任務(wù)分配到不同的子系統(tǒng)中進(jìn)行處理，各子系統(tǒng)間通過總線或網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。在該架構(gòu)下，主要包含了1個(gè)中央控制器（PLC）和多個(gè)外圍設(shè)備（傳感器、執(zhí)行器等），實(shí)現(xiàn)了控制任務(wù)的分工協(xié)作，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

該控制系統(tǒng)采用感知層、控制層、執(zhí)行層3層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。感知層主要負(fù)責(zé)包括壓力感應(yīng)器、溫度感應(yīng)器、流量感應(yīng)器等環(huán)境參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)信息的采集；控制層根據(jù)控制算法生成控制指令，即PLC控制器，負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析；執(zhí)行層負(fù)責(zé)執(zhí)行包括壓縮機(jī)、閥門、馬達(dá)等執(zhí)行裝置在內(nèi)的控制指令?？刂迫蝿?wù)的分層處理可通過以上的分層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，降低系統(tǒng)復(fù)雜度以及維護(hù)費(fèi)用。

3.2 PLC控制器的選擇與配置

控制器采用西門子SimaticS7-1200系列PLC控制器作為空氣壓縮機(jī)恒壓供氣節(jié)能控制系統(tǒng)中的核心控制設(shè)備。這款適用于中小型自動(dòng)化應(yīng)用場合的PLC控制器，具有高性能、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。其提供了能夠滿足控制系統(tǒng)各種功能需求的數(shù)字輸入輸出模塊、模擬輸入輸出模塊以及通信接口模塊。

3.3 傳感器與執(zhí)行器的選擇與配置

系統(tǒng)采用Omron的壓力感應(yīng)器、溫度感應(yīng)器和流量感應(yīng)器。這些傳感器能夠?qū)諝鈮嚎s機(jī)的壓力、溫度、流量等參數(shù)進(jìn)行精確監(jiān)測，具有精度高、靈敏度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。同時(shí)，這些傳感器兼容西門子PLC控制器的通信協(xié)定，可快速穩(wěn)定地與PLC控制器進(jìn)行資料交換，向控制系統(tǒng)提供可靠的資料支持。

選用ABB的電動(dòng)閥門和西門子的變頻空氣壓縮機(jī)。電動(dòng)閥門采用了ABB的先進(jìn)控制技術(shù)，能夠精確地調(diào)節(jié)氣體流量，實(shí)現(xiàn)對供氣系統(tǒng)的精確控制。而變頻空氣壓縮機(jī)采用了西門子的先進(jìn)變頻調(diào)速技術(shù)，能夠根據(jù)壓力變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出功率，以滿足恒壓供氣系統(tǒng)的要求。這些執(zhí)行器設(shè)備具有高性能、高可靠性和低能耗的特點(diǎn)，能夠有效地提高控制系統(tǒng)的運(yùn)行效率和節(jié)能性。

3.4 控制策略與算法設(shè)計(jì)

3.4.1 壓力檢測與控制

系統(tǒng)采用PID控制算法（比例–積分–微分）。該算法通過實(shí)時(shí)監(jiān)測壓力傳感器采集到的壓力信號，并根據(jù)設(shè)定目標(biāo)壓力與實(shí)際壓力的偏差，對空氣壓縮機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，從而計(jì)算出控制器的輸出量，使其輸出壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。其算法公式如下。

3.4.2 節(jié)能控制策略

采用以預(yù)測控制為基礎(chǔ)的節(jié)能算法，對供氣系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行建模和預(yù)測，對供氣需求的變化趨勢進(jìn)行分析，并根據(jù)預(yù)測的結(jié)果對壓縮機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到節(jié)能的目的。該算法基于歷史資料建立供氣系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，然后根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和預(yù)測結(jié)果計(jì)算出最優(yōu)的壓縮機(jī)輸出功率，使系統(tǒng)在滿足供氣需求的同時(shí)最大限度地降低能耗，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

3.4.3 故障診斷與處理

以模型為基礎(chǔ)的故障診斷算法用于故障診斷和處理。該算法通過對系統(tǒng)運(yùn)行過程中各部件之間的關(guān)系進(jìn)行分析、異常數(shù)據(jù)和故障信號的檢測、系統(tǒng)故障類型和位置的識別以及應(yīng)對措施等，建立空氣壓縮機(jī)供氣系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)利用系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型根據(jù)實(shí)時(shí)采集的傳感器數(shù)據(jù)和控制器輸出量進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)和參數(shù)辨識，然后通過故障診斷算法對系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測和定位，最后根據(jù)自動(dòng)切換備用設(shè)備、調(diào)整控制參數(shù)等診斷結(jié)果采取相應(yīng)的故障處理措施。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與調(diào)試

4.1 硬件連接與配置

壓力傳感器、溫度傳感器和流量傳感器通過模擬輸入模塊連接至PLC控制器，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集；電動(dòng)閥門和變頻空氣壓縮機(jī)通過數(shù)字輸出模塊連接至PLC控制器，實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行器的控制。進(jìn)行了PLC控制器的配置，設(shè)置了輸入輸出模塊、通信接口模塊等參數(shù)，保證了PLC控制器與傳感器和執(zhí)行器之間的正常通信。最后進(jìn)行了系統(tǒng)的電氣連線和接地工作，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和安全性。

4.2 軟件編程與調(diào)試

利用SIMATICSTEP7編程軟件對PLC控制器進(jìn)行了程序設(shè)計(jì)。編寫了壓力檢測與控制的PID控制算法，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測壓力傳感器采集到的壓力信號，計(jì)算出控制器的輸出量，控制空氣壓縮機(jī)的工作狀態(tài)，使其輸出壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。然后編寫了節(jié)能控制策略的預(yù)測控制算法，通過建立供氣系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型和優(yōu)化算法，計(jì)算出最優(yōu)的壓縮機(jī)輸出功率，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)能耗的優(yōu)化。最后編寫了故障診斷與處理的模型診斷算法，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)故障的實(shí)時(shí)監(jiān)測和診斷，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理。通過在線調(diào)試和模擬仿真等手段，驗(yàn)證了軟件程序的正確性和穩(wěn)定性，確保了系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

4.3 系統(tǒng)功能測試與驗(yàn)證

對系統(tǒng)進(jìn)行了功能測試和驗(yàn)證，驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。測試結(jié)果見表1。

4.4 性能評估與優(yōu)化

對系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行評估和優(yōu)化，評估結(jié)果見表2。

由表2數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)在壓力控制精度、節(jié)能效果和故障診斷準(zhǔn)確率等方面均取得了顯著的改善，驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能優(yōu)化效果。

5 節(jié)能效果分析與評估

5.1 節(jié)能原理及預(yù)期效果

系統(tǒng)以優(yōu)化控制策略為基礎(chǔ)，在滿足供氣需求的同時(shí)，通過對空壓機(jī)輸出功率的合理調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)能耗最小化。預(yù)期效果是通過節(jié)能控制策略的實(shí)施，降低系統(tǒng)運(yùn)行過程中的能耗，提高系統(tǒng)的能源利用率，從而達(dá)到有效節(jié)約能源消耗的目的。

5.2 實(shí)際節(jié)能效果測試與分析

對兩種模式下的系統(tǒng)能耗差異進(jìn)行對比分析，記錄系統(tǒng)在節(jié)能模式和常規(guī)模式下的能耗數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)與常規(guī)模式相比，在節(jié)能模式下能耗降低了15%，節(jié)能控制策略的有效性得到了驗(yàn)證。

5.3 與傳統(tǒng)供氣系統(tǒng)的對比分析

與傳統(tǒng)供氣系統(tǒng)相比，新設(shè)計(jì)的空氣壓縮機(jī)恒壓供氣節(jié)能控制系統(tǒng)在能耗方面具有明顯優(yōu)勢。傳統(tǒng)供氣系統(tǒng)的能耗主要受到機(jī)器運(yùn)行時(shí)間和輸出功率的影響，缺乏智能控制手段，無法根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，導(dǎo)致能源浪費(fèi)。而新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)通過實(shí)施節(jié)能控制策略，能夠根據(jù)實(shí)時(shí)的供氣需求和環(huán)境參數(shù)，合理調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的輸出功率，最大程度地減少能耗消耗。新系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的能耗對比情況見表3。

與傳統(tǒng)供氣系統(tǒng)的對比分析，新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在節(jié)能方面取得了顯著的效果，能夠有效降低能耗，提高能源利用效率。

6 結(jié)束語

由可編程的邏輯控制器實(shí)現(xiàn)空氣壓縮機(jī)恒壓供應(yīng)的節(jié)能控制系統(tǒng)通過對壓力進(jìn)行精確控制并實(shí)施節(jié)能優(yōu)化以及故障診斷，使系統(tǒng)具有更高的可靠性和穩(wěn)定性以及節(jié)能性。經(jīng)測試及對比分析顯示，其能有效降低能源消耗并提高能源利用效率。該系統(tǒng)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景和重要的實(shí)踐意義，其可促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)的節(jié)能減排，并推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展。因此該系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)施是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的一項(xiàng)重要的技術(shù)創(chuàng)新與進(jìn)步。