沈艷河，李文藝，王延波

中色科技空壓機(jī)聯(lián)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沈艷河1，李文藝2，王延波3

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004；2.宿州學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 宿州 234000；3.中色科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039）

對(duì)中色科技股份有限公司兩臺(tái)空壓機(jī)進(jìn)行聯(lián)控設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)方案為：對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行變頻改造；通過(guò)RS-485總線(xiàn)把兩臺(tái)空壓機(jī)、變頻器和主控PLC聯(lián)網(wǎng)；進(jìn)行聯(lián)控算法設(shè)計(jì)。同時(shí)，對(duì)空壓系統(tǒng)的主管道壓力和空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)踐證明，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)空壓機(jī)根據(jù)用氣負(fù)荷的變化自動(dòng)連續(xù)調(diào)整輸出氣量，達(dá)到了穩(wěn)壓、降耗的目的。

空壓機(jī)聯(lián)控；變頻化改造；聯(lián)控算法；實(shí)時(shí)監(jiān)控

0 引言

中色科技股份有限公司成套部 （下文簡(jiǎn)稱(chēng)成套部）空壓站的2臺(tái)阿特拉斯GA55型空壓機(jī)獨(dú)立運(yùn)行。在生產(chǎn)過(guò)程中，白班，兩臺(tái)空壓機(jī)全部開(kāi)啟；夜班和節(jié)假日，一臺(tái)空壓機(jī)開(kāi)啟，另外一臺(tái)空壓機(jī)關(guān)閉?？諌簷C(jī)的啟?？刂埔约翱諌簷C(jī)運(yùn)行時(shí)間的均衡控制都是由工作人員現(xiàn)場(chǎng)操作控制。該控制方式存在以下問(wèn)題：（1）經(jīng)常出現(xiàn)兩臺(tái)空壓機(jī)同時(shí)啟停，使得空壓系統(tǒng)壓力波動(dòng)大，并對(duì)電力變壓器造成很大的沖擊。（2）空壓機(jī)主電機(jī)工作在工頻轉(zhuǎn)速狀態(tài)，輸出氣量不能根據(jù)用氣負(fù)荷的變化連續(xù)調(diào)整，導(dǎo)致空壓系統(tǒng)壓力在設(shè)定的上下限壓力之間做大范圍波動(dòng)。（3）白班用氣負(fù)荷小時(shí)，一臺(tái)空壓機(jī)大部分時(shí)間工作在輕載狀態(tài)，導(dǎo)致電能的大量浪費(fèi)，而在夜班和節(jié)假日用氣負(fù)荷大時(shí)，一臺(tái)空壓機(jī)不能維持需要的壓力，造成系統(tǒng)壓力過(guò)低，影響正常生產(chǎn)和設(shè)備運(yùn)行。（4）時(shí)有因?yàn)槭韬鐾涢_(kāi)啟或關(guān)閉一臺(tái)空壓機(jī)的現(xiàn)象發(fā)生。

為了解決這些問(wèn)題，需對(duì)空壓系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化改造，具體方案為：（1）對(duì)兩臺(tái)空壓機(jī)進(jìn)行變頻化改造，使兩臺(tái)空壓機(jī)都能工作在定頻狀態(tài)和變頻運(yùn)行狀態(tài)；（2）對(duì)兩臺(tái)空壓機(jī)進(jìn)行聯(lián)控算法設(shè)計(jì)，使兩臺(tái)空壓機(jī)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行控制，還能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)協(xié)調(diào)運(yùn)行控制，在系統(tǒng)穩(wěn)壓的同時(shí)，達(dá)到降低能耗的目的；（3）使用組態(tài)王對(duì)空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和顯示，提高系統(tǒng)的可靠性。

1 空壓機(jī)聯(lián)控系統(tǒng)的要求和構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)要求

（1）在保證提供壓力穩(wěn)定、品質(zhì)合格的壓縮空氣的前提下，空壓機(jī)能夠根據(jù)負(fù)荷用氣的變化連續(xù)調(diào)整輸出壓縮空氣量，提高系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定性。（2）空壓機(jī)工作在高效的滿(mǎn)載或變頻工作狀態(tài)，提高設(shè)備效率，降低能耗。（3）系統(tǒng)能夠按照設(shè)計(jì)好的控制方案自動(dòng)運(yùn)行，在實(shí)現(xiàn)聯(lián)控的基礎(chǔ)上，保證兩臺(tái)空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)間均衡，使整個(gè)機(jī)組時(shí)刻保持在最佳工況。（4）系統(tǒng)能夠?qū)諌合到y(tǒng)的主要參量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，發(fā)生故障時(shí)，進(jìn)行報(bào)警。（5）系統(tǒng)能對(duì)空壓機(jī)的維護(hù)和保養(yǎng)提供幫助。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

空壓機(jī)聯(lián)控系統(tǒng)主要由空壓機(jī)、變頻器、RS-485通信網(wǎng)絡(luò)、PLC、主機(jī)和相應(yīng)軟件構(gòu)成?？諌簷C(jī)聯(lián)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要涉及空壓機(jī)變頻化改造和系統(tǒng)組網(wǎng)兩方面的工作。

2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

聯(lián)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示?？諌簷C(jī)聯(lián)控系統(tǒng)通過(guò)RS-485總線(xiàn)把2臺(tái)空壓機(jī)、變頻器、PLC及主機(jī)連成RS-485網(wǎng)絡(luò)，空壓機(jī)外的電磁閥、繼電器和傳感器等部件通過(guò)PLC的I／O口進(jìn)行信息交換。

2.1 空壓機(jī)變頻改造

在空壓系統(tǒng)中，供氣壓力是系統(tǒng)各種運(yùn)行狀態(tài)改變與保持的唯一指標(biāo)［1］。滿(mǎn)足穩(wěn)定的氣源壓力，自動(dòng)調(diào)節(jié)供氣流量是空壓站自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本任務(wù)。由于用氣負(fù)荷不斷變化，空壓機(jī)只有根據(jù)用氣負(fù)荷的變化對(duì)輸出氣量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，才能達(dá)到穩(wěn)壓的目的。

圖1 兩臺(tái)空壓機(jī)聯(lián)控系統(tǒng)硬件連接結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Two air com pressors combine-controlled system hardware structure

阿特拉斯GA55型空壓機(jī)主電機(jī)是在恒轉(zhuǎn)矩狀態(tài)下運(yùn)行的，空壓機(jī)排氣量Q與電機(jī)轉(zhuǎn)速n成正比［2］。因此，要想使空壓系統(tǒng)能夠適應(yīng)負(fù)荷變化，保持供氣壓力穩(wěn)定、滿(mǎn)足氣量需求，就要求空壓機(jī)能夠連續(xù)地對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)選擇對(duì)定頻空壓機(jī)進(jìn)行變頻化改造，具體設(shè)計(jì)方案是：一臺(tái)變頻器控制一臺(tái)空壓機(jī)工作在變頻狀態(tài)，另一臺(tái)空壓機(jī)始終運(yùn)行在全載或是停機(jī)狀態(tài) （定頻運(yùn)行的壓縮機(jī)在這兩個(gè)狀態(tài)時(shí)能效最高）。變頻運(yùn)行的空壓機(jī)作為調(diào)節(jié)用氣，以適應(yīng)生產(chǎn)實(shí)際用氣的變化。保證供氣壓力的穩(wěn)定，大大提高空壓機(jī)的工作效率和性能。空壓機(jī)啟動(dòng)時(shí)，還可以減弱對(duì)電網(wǎng)及設(shè)備的沖擊，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命［1］。

2.2 空壓機(jī)組網(wǎng)設(shè)計(jì)

RS-485接口是空壓機(jī)和大多數(shù)工控設(shè)備常用的接口。RS-485網(wǎng)絡(luò)最大支持128個(gè)節(jié)點(diǎn)，滿(mǎn)足空壓系統(tǒng)技術(shù)要求。空壓機(jī)控制主要是邏輯控制，對(duì)實(shí)時(shí)性要求并不高，RS-485總線(xiàn)的傳輸速率即可以滿(mǎn)足空壓機(jī)的實(shí)時(shí)性要求，并且硬件成本要遠(yuǎn)小于CAN總線(xiàn)?；谏鲜隼碛桑撛O(shè)計(jì)采用RS-485總線(xiàn)連接各設(shè)備，系統(tǒng)組網(wǎng)連線(xiàn)如圖2所示。

2.3 主控部件選擇

空壓機(jī)聯(lián)控系統(tǒng)輸入、輸出設(shè)備少，控制策略簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性要求不高。目前，市場(chǎng)主流的小型PLC都能滿(mǎn)足需求。本設(shè)計(jì)選擇三菱FX2N系列小型PLC作為聯(lián)控系統(tǒng)的核心控制部件。三菱FX2N系列小型PLC本身沒(méi)有RS-485接口，當(dāng)PLC與2臺(tái)空壓機(jī)及變頻器進(jìn)行通信時(shí)，需要通過(guò)FX2N-485BD模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng)PLC與主機(jī)電腦進(jìn)行通信時(shí)，需要通過(guò)FX-485PC-IF模塊轉(zhuǎn)接，然后接到主機(jī)RS-232-C的接口上，如圖2所示。

圖2 聯(lián)控系統(tǒng)組網(wǎng)連線(xiàn)圖Fig.2 Combine-controlled system network

3 軟件及系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

3.1 空壓機(jī)聯(lián)控策略設(shè)計(jì)

兩臺(tái)空壓機(jī)的聯(lián)控采用時(shí)間控制模式，即兩臺(tái)空壓機(jī)每隔一段時(shí)間就按工頻、變頻運(yùn)行模式自動(dòng)交換一次，保證兩臺(tái)空壓機(jī)的運(yùn)行時(shí)間基本均衡。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，定頻運(yùn)行空壓機(jī)工作在停機(jī)或者全載狀態(tài)，變頻運(yùn)行空壓機(jī)根據(jù)用氣負(fù)荷的變化實(shí)時(shí)調(diào)整輸出氣量。為了減小空壓機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)廠(chǎng)內(nèi)變壓器造成的沖擊，兩臺(tái)空壓機(jī)均采用變頻自動(dòng)啟動(dòng)，控制策略如圖3所示。為了提高系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)既能對(duì)兩臺(tái)空壓機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聯(lián)控，又能通過(guò)手動(dòng)控制模式控制兩臺(tái)空壓機(jī)單獨(dú)啟停［3］。

3.2 監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)組態(tài)選用市場(chǎng)占有率比較高的國(guó)產(chǎn)組態(tài)軟件組態(tài)王作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。主機(jī)監(jiān)控畫(huà)面有空壓站操控畫(huà)面、空壓系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行畫(huà)面和報(bào)警及歷史畫(huà)面構(gòu)成?？諌合到y(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行畫(huà)面如圖4所示。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，組態(tài)王能夠?qū)諌合到y(tǒng)主管道壓力、油位和保養(yǎng)數(shù)據(jù)等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)還能夠建立實(shí)時(shí)壓力曲線(xiàn)、保存歷史壓力曲線(xiàn)，并能對(duì)報(bào)警事件進(jìn)行查詢(xún)和打印。另外，組態(tài)王通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)壓力變化，自動(dòng)調(diào)整變頻運(yùn)行空壓機(jī)主電機(jī)的轉(zhuǎn)速，來(lái)調(diào)整輸出氣量，進(jìn)而穩(wěn)定系統(tǒng)壓力。

圖3 空壓機(jī)聯(lián)控運(yùn)行關(guān)系圖Fig.3 Air com pressor joint control operation

圖4 空壓系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況圖Fig.4 Air com pressor system real-time operation state

4 結(jié)語(yǔ)

空壓機(jī)經(jīng)聯(lián)控改造，實(shí)現(xiàn)了空壓站的無(wú)人自動(dòng)化操作，使空壓系統(tǒng)壓力穩(wěn)定性得到顯著提高，能耗明顯降低。兩臺(tái)空壓機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)行控制保證兩臺(tái)空壓機(jī)得到均衡使用，使設(shè)備始終保持在最佳狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，聯(lián)控系統(tǒng)還能夠?yàn)榭諌簷C(jī)的保養(yǎng)和檢修提供幫助，提高了空壓系統(tǒng)的管理水平。

［1］賈春苗.空壓機(jī)專(zhuān)用變頻器的研究、實(shí)現(xiàn)及性能測(cè)試［D］.廈門(mén)：廈門(mén)大學(xué)自動(dòng)化系，2009.

［2］于海龍，石東東.基于PLC的空壓機(jī)變頻聯(lián)控系統(tǒng)研究［J］.機(jī)械自動(dòng)化與工程，2011（3）：144-145.

［3］王浩君.空壓機(jī)聯(lián)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.武漢：湖北大學(xué)，2009.

[責(zé)任編輯 楊明慶]

On Design of Air Compressor Combine-controlled System of China Nonferrous M etals Processing Technology(CNPT)

SHEN Yan-he1,LIWen-yi2,WANG Yan-bo3
(1.Yellow River Conservancy Technical Institute,Kaifeng 475004,Henan,China; 2.Suzhou University,Suzhou 234000,Anhui,China; 3.China Nonferrous Metals Processing Technology Co.Ltd.,Luoyang 471039,Henan,China)

Two air compressors of CNPT have been taken the combine-controlled system design.The design schemes are as follows:First of all,makes the air compressor variable-frequency transformation，and then connects two air compressors,frequency changer and master control PLC in the same network via RS-485 bus,and finally designs the process combine-controlled algorithm.And main pipeline pressure and running status of air compressor system have been taken real time monitoring at the same time.Practice shows that this design has realized the two air compressor adjust the output volume automatically and continuously according to the variation of gas load and achieved the goal of voltage stabilization and consumption reduction.

Air compressor combine-controlled;variable-frequency transformation;combine-controlled algorithm;realtime monitoring

TP273

A

1008-486X（2015）03-0041-04

2015-05-19

黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院青年項(xiàng)目：空壓機(jī)智能聯(lián)控及故障診斷預(yù)警系統(tǒng)（2014QNKY020）。

沈艷河（1981-），男，河南周口人，講師，碩士，主要從事高校機(jī)電控制技術(shù)教學(xué)與研究工作。