船用空壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

林文城

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船用空壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

林文城

(廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建廈門 361012)

針對(duì)早期采用以繼電器為主導(dǎo)的控制系統(tǒng)存在的問題，以某輪空壓機(jī)系統(tǒng)為例，根據(jù)該輪高壓空氣系統(tǒng)的技術(shù)要求與空壓機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，開發(fā)以西門子s7系列可編程控制器為核心的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了該空壓機(jī)運(yùn)行過程中的精確控制、節(jié)約耗能和提高可靠性等方面的要求。

船用空壓機(jī) PLC 自動(dòng)控制

0 引言

在早期的船舶空壓機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)用過程中：明顯存在以下問題：第一，自動(dòng)控制系統(tǒng)大多選擇以繼電接觸器為主，使用的繼電器數(shù)量多且控制配電系統(tǒng)體積大、工作頻率低、壽命短和可靠性差等，制約其進(jìn)一步發(fā)展；第二，每艘船一般設(shè)有2—3臺(tái)空壓機(jī)向主空氣提供高壓空氣瓶，為避免其中某臺(tái)空壓機(jī)長(zhǎng)期大負(fù)荷工作，需要輪機(jī)員定期人工轉(zhuǎn)換控制這些空壓機(jī)，必然提高管理者的勞動(dòng)強(qiáng)度和降低系統(tǒng)自動(dòng)化程度。

PLC具有功能強(qiáng)大、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)和維護(hù)簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，能輕易解決早期船舶空壓機(jī)控制系統(tǒng)存在的問題，故在其系統(tǒng)設(shè)計(jì)和改造中大量采用了PLC取代繼電器。在此提出了一種以西門子s7系列PLC為控制核心，配有MT500系列觸摸屏來實(shí)現(xiàn)對(duì)早期船舶空壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行改造，通過狀態(tài)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行元件的自動(dòng)控制操作功能，保證整個(gè)空氣系統(tǒng)在安全、穩(wěn)定和節(jié)能的狀況下長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 空壓機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成

下位機(jī)采用西門子PLC 224為中央控制器，各個(gè)壓力傳感器、溫度傳感器、供氣電磁閥和電磁換向閥等與模擬量輸入輸出模塊(1746—NI04 V )相連。上位機(jī)使用帶串行通訊口的觸摸屏（MT 510T），通過轉(zhuǎn)換器與PLC連接，采用Easy Builder 500組態(tài)軟件繪制人機(jī)界面，從而實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)運(yùn)行的控制。

2 系統(tǒng)控制原理

2.1 某一船用空壓機(jī)概況

某船舶空氣壓縮系統(tǒng)配備兩臺(tái)TANABE的H-63單缸級(jí)差活塞式空壓機(jī)向主空氣瓶供應(yīng)高壓氣體，該空壓機(jī)的一級(jí)缸直徑為140 mm，活塞行程為80 mm，轉(zhuǎn)速為1200 r/min，額定排壓為3 MPa，理論排氣量為5.91 m3/min。同時(shí)船舶還設(shè)有一臺(tái)應(yīng)急空壓機(jī)，以便在電站停電時(shí)向輔氣瓶供氣，能供啟動(dòng)發(fā)電柴油機(jī)或起降救生艇等急用。

圖1 空壓機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成圖

2.2 系統(tǒng)控制思路

根據(jù)采集的相關(guān)參數(shù)數(shù)值，經(jīng)過PID計(jì)算。非正常工作時(shí)發(fā)出警報(bào)、保護(hù)性停車，分析系統(tǒng)故障產(chǎn)生的原因并提出排除措施；正常工作狀態(tài)下自動(dòng)調(diào)節(jié)使系統(tǒng)參數(shù)保持在設(shè)定范圍內(nèi)。

獲取空氣瓶中壓力數(shù)值，啟動(dòng)或停止空壓機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，來保證空氣瓶中的壓力在設(shè)定的范圍內(nèi)，是空氣系統(tǒng)控制的核心。同時(shí)，需設(shè)定和測(cè)試每臺(tái)空壓機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間，讓兩臺(tái)空壓機(jī)在自動(dòng)輪換工作，從而解決傳統(tǒng)上采用人工更換壓力繼電器來實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的主次切換。此外，還要考慮減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的輕載啟動(dòng)或停車。

如圖2和圖3所示，PLC-224在應(yīng)用程序的控制下，結(jié)合空氣瓶壓力和空壓機(jī)持續(xù)運(yùn)行時(shí)間的PID運(yùn)算，獲得相關(guān)技術(shù)參數(shù)值，再由PWM控制將其轉(zhuǎn)化成時(shí)間比例脈沖輸出量，進(jìn)而改變空壓機(jī)的工作臺(tái)數(shù)以及需要對(duì)應(yīng)投入運(yùn)行的空壓機(jī)，從而使空壓機(jī)根據(jù)空氣系統(tǒng)壓力和各自運(yùn)行時(shí)間的變化，及時(shí)選擇自動(dòng)起停，保證實(shí)現(xiàn)空氣系統(tǒng)更為精確的自動(dòng)控制和行之有效的節(jié)省能耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行。

2.3 PLC硬件接線表（如表1所示）

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

采用編程軟件對(duì)PLC程序進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)，主要圍繞下位機(jī)PLC程序和上位機(jī)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)來進(jìn)行展開。

3.1 PLC控制程序的開發(fā)

根據(jù)船用空壓機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求，在STEP7編程環(huán)境下，將程序分成若干個(gè)子程序模塊，進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)，使得程序邏輯清晰嚴(yán)密，并具有良好的可復(fù)制性和可擴(kuò)展性。監(jiān)控系統(tǒng)由主控制程序、數(shù)據(jù)采集、工藝流程和輸出控制等4個(gè)模塊組成。本文以控制空壓機(jī)啟動(dòng)停車和主次切換為例，設(shè)計(jì)系統(tǒng)監(jiān)控流程如圖2和圖3所示。

1）運(yùn)行參數(shù)的數(shù)據(jù)采集

將PLC采集的模擬量數(shù)值依次放在VD1000開始的寄存器內(nèi)。

表1 PLC硬件接線表

2）監(jiān)控系統(tǒng)的保護(hù)和報(bào)警

空壓機(jī)的報(bào)警和保護(hù)性停車主要表現(xiàn)在電機(jī)過載保護(hù)、過電流保護(hù)、冷卻水水壓保護(hù)、空壓機(jī)排氣溫度保護(hù)和油泵排壓保護(hù)等。

3）PID運(yùn)算

在PLC采集數(shù)據(jù)的運(yùn)行參數(shù)中，大部分的參數(shù)屬于測(cè)量參考量和安全報(bào)警量，如圖2和圖3所示，空氣瓶中壓力和主空壓機(jī)持續(xù)運(yùn)行的時(shí)間分別是閉環(huán)控制的最重要參數(shù)。以控制空氣瓶中壓力為例，該參數(shù)借助PID控制算法調(diào)節(jié)輸出，以促使偏差傾向于零，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)PLC周期采集參數(shù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，控制系統(tǒng)選擇離散化的周期采樣偏差公式，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，則積分項(xiàng)和微分項(xiàng)可用求和及增量式表示：

把式(1)和式(2)代入PID算法的表達(dá)式

圖3 空壓機(jī)主次切換控制流程圖

即推出離散的PID表達(dá)式：

4）PWM輸出

在船用空壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，根據(jù)對(duì)主空氣瓶壓力的PID計(jì)算結(jié)果，通過PWM輸出，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的啟動(dòng)或停車，保證系統(tǒng)壓力維持在設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)。

3.2 人機(jī)界面

本例監(jiān)控系統(tǒng)選擇MT510T觸摸屏，采用Easy Bluilder500組態(tài)軟件完成編程，實(shí)現(xiàn)滿足友好和直觀性能的人機(jī)界面的建立。該界面可以動(dòng)態(tài)顯示空壓機(jī)運(yùn)行中壓力、溫度和電流等技術(shù)參數(shù)數(shù)值，同時(shí)不但實(shí)時(shí)反映壓縮機(jī)和冷卻水泵等動(dòng)力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，而且顯示各閥門和卸載機(jī)構(gòu)等執(zhí)行元件的動(dòng)作情況。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，該界面能及時(shí)保存異常數(shù)據(jù)并記錄報(bào)警時(shí)間和內(nèi)容，及時(shí)顯示監(jiān)控系統(tǒng)的分析判斷。另一方面，該人機(jī)界面具有參數(shù)設(shè)定功能，輪機(jī)技術(shù)人員綜合考慮系統(tǒng)控制的精確度和穩(wěn)定性，調(diào)整設(shè)定數(shù)據(jù)間隔采集的時(shí)間以及系統(tǒng)運(yùn)行的參數(shù)數(shù)值等。人機(jī)界面所能達(dá)到的智能化，直接影響到作為監(jiān)控系統(tǒng)窗口的成功與否。

4 小結(jié)

本文采用以西門子s7系列PLC為控制核心，配有MT500系列觸摸屏，完成對(duì)船用空壓機(jī)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該監(jiān)控系統(tǒng)輕松地解決了傳統(tǒng)繼電器控制的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差和自動(dòng)化程度等缺點(diǎn)，充分發(fā)揮了PLC運(yùn)算速度快、智能化高、抗干擾能力強(qiáng)和維護(hù)方便等控制優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過船舶兩年時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)踐，據(jù)統(tǒng)計(jì)，該監(jiān)控系統(tǒng)給整個(gè)空氣系統(tǒng)節(jié)省的能量損耗達(dá)到6%，空壓機(jī)的故障發(fā)生率減少32%左右，而且在一定程度上減輕輪機(jī)技術(shù)人員的管理成本，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的要求。

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Design of Marine Air Compressor Monitoring System

Lin Wencheng

(Xiamen Ocean Vocational College, Xiamen 361012, Fujian, China)

TP277

A

1003-4862（2013）04-0022-03

2012-08-30

林文城(1975-)，男，副教授。研究方向：船舶輔機(jī)自動(dòng)控制和維護(hù)管理。