基于PLC的模糊控制恒壓供氣系統的設計

桑巖青，韓 強

（東華大學 機械工程學院，上海 201620）

目前，在國內大多數企業中，對空壓站內所有設備的控制方式均為人工控制、單機運行，設置空壓機運行參數時，需要到現場操作，同時，用氣車間對壓縮氣體的壓力值有所要求，由于不能根據現場的用氣量進行空壓機的工作狀態控制，由此產生了壓縮氣體壓力不穩定以及電能的極大浪費。因此，一套完善的空壓機自動控制系統不僅可以遠程設置運行參數，使得操控人員的操控步驟簡單化，而且還會根據用氣車間的用氣量，控制空壓站內空壓機的工作狀態以及相關時間參數，以保證壓縮氣體的壓力保持在穩定的范圍內，從而達到恒壓控制、節能環保、節約人力資源的目的。

1 研究的空壓站簡介

某制管廠的空壓站內，有6臺美國壽力TS32S-400NWC螺桿式空氣壓縮機、6臺冷干機以及水泵、冷卻塔等設備。計劃4臺空壓機常用，2臺備用。壓縮氣體的用途是給半成品的鋼塑管進行噴砂處理。其中空壓機主要參數有公稱容積流量為57.1 m3/min，額定排氣壓力為0.8 MPa，最大排氣壓力為0.86 MPa，機組輸入比功率為 5.9 kW/（m3·min-1），電動機功率為300 kW，額定轉速為1489 r/min。

要保證用氣車間的正常工作，壓縮氣體的壓力必須保持在0.6.MPa以上，但是由于用氣車間有6條噴砂處理流水線，有時會部分工作，處理的管件尺寸不同，用氣量也不同，并且在噴砂完成更換下一批管件期間不需要用氣，因此，用氣車間的用氣量是不穩定的，這也使得對空壓站內設備的控制要求更高。

2 控制系統與控制方式

由于本空壓站涉及到的機器以及需要通訊的相關數據較多，因此考慮到系統的穩定性與控制的精確性，控制系統的CPU選擇西門子PLC-S7-300，I/O控制空壓機的啟動停止、加載卸載；通過Modbus-RTU通訊方式讀取空壓機狀態參數并且發送需要設置的參數；冷干機與水泵自身均以西門子PLC-200作為控制從站，與PLC-300之間通過Profibus進行通訊，PLC-300給冷干機和水泵系統發送啟動與停止命令，給各空壓機發送啟動、停止、加載、卸載等命令。

本系統軟件設計過程借鑒軟件工程中慣用的結構化設計方法以提高編程效率。該系統由于控制邏輯復雜，程序循環中具有判斷和跳轉情況。針對這種情況為了提高軟件的邏輯性和程序的可讀性項目從需求分析階段概念設計階段程序編寫階段直至最終的調試驗收等過程都將強調程序的結構性。通過前期規劃和項目分析最終將邏輯控制部分劃分為輸入輸出模塊、空壓機控制模塊、順序切換模塊、通訊模塊、報警模塊等部分。

控制模式分為手動模式和自動模式，手動模式下，由PLC發送啟動、停止命令到各個設備。自動模式時，程序按圖1所示流程編寫。啟動系統后，由于沒有空壓機啟動，需要用氣時，首先開啟1臺空壓機并加載，T1時間后，根據傳感器傳回的總管壓力值，與設定好的最低總管壓力值進行比較，低于最低總管壓力值，則再開啟1臺，高于最低總管壓力且不高于最高總管壓力，則延時T2，然后與調節壓力作比較，若低于調節壓力，且此時沒有已經啟動的空壓機，則啟動并且加載1臺，若高于調節壓力且低于最高壓力，則繼續延時T2，若高于最高壓力，則會卸載1臺，如此循環，卸載的空壓機達到卸載停機時間后將停機。空壓機的開啟順序根據所有空壓機的累計加載時間判斷，加載時間越短的空壓機優先級越高，下次有啟動或加載信號時，將最先被啟動，由此保證了所有空壓機的運行加載時間均衡。

圖1 自動控制流程Fig.1 Automatic control flow chart

控制程序采用模塊化編程的思路，由1個主程序和若干個實現特定功能的子程序組成。主程序負責機組的啟停控制、加卸載運行時間的統計、數據定時存儲及對各個功能模塊（子程序）的調用[1]。

3 參數自整定的模糊控制模塊的設計

3.1 模糊控制器的結構

由控制系統的邏輯流程可知，在整個循環的過程中，總管壓力（總管壓力傳感器安裝在儲氣罐出口處）是整個系統的參考變量，控制系統會根據總管壓力與設定值的比較來確定空壓機的工作狀態以及開啟數量，但是，時間參數T1和T2則影響著開啟（加載）或卸載下一臺的判斷時間，對于這2個時間值的確定，采用程序中編寫的模糊控制程序自動確定，以總管壓力的變化速率為依據，實時改變T1、T2的值來適應變化的生產用氣量。

模糊控制器的結構如圖2所示。理論上，模糊控制所接收的控制信號是連續型的，但在工程上，模糊控制是由數字計算機來實現的，所以在實際應用中采用的是一種離散型的模糊控制器，總管壓力反饋信號通過模擬量模塊轉換后再送入控制器[2]。

圖2 模糊控制器的結構Fig.2 Structure of fuzzy controller

圖3所示的控制器結構由4部分組成：①規則庫。將專家語言所描述的成功控制經驗進行量化得到模糊控制規則；②推理機。模仿專家決策，對控制對象怎樣可以控制最好的知識做出解釋和應用；③模糊化接口。模糊控制器的輸入接口，將控制器的輸入轉換成一種信息，使得推理機容易激活和應用相關的規則[2]；④反模糊化接口。將推理結果轉換成過程或是控制對象的實際輸入。

該系統模糊控制器的功能根據實時的總管壓力變化速率，根據規則庫給出合適的時間參數，使系統響應效率更高。程序中，每3 s采集1次總管壓力并與前一次采集的壓力作差，該壓差便可表示總管壓力變化速率，經過長時間的實際運行調試后，將規則庫設計如表1所示。

表1 模糊控制器規則庫Tab.1 Fuzzy controller rule base

在整個程序運行時，模糊控制程序會根據壓力變化實時改變循環中的時間參數，從而改變響應時間，從圖3可以看到，設置最低調節壓力為0.75MPa，最高壓力為0.78 MPa，不采用本控制器，時間參數固定設置為35 s與15 s時，輸出壓力曲線為圖3中的虛線，采用該控制器時，輸出壓力曲線為圖3中的實線，對比可發現，采用該模糊控制器時，輸出壓力更加穩定且壓力值不會超過設置的范圍。

圖3 輸出壓力曲線對比Fig.3 Compare of the output pressure curve

3.2 模糊控制器與程序的完善

根據實際運行情況，對壓力變化與對應的時間參數進行調整修改，以保證調節精度達到最高，同時，由于用氣量車間用氣量不穩定，因此有時啟動多臺空壓機，待壓力達到最高時，又卸載多臺，這樣的現象主要由于邊加載邊用氣，有時壓力上升緩慢，達到設定時間后，仍未達到最低壓力或調節壓力，則會繼續開啟或加載下一臺，壓力達到最高后，有機器卸載，如果壓力下降緩慢，達到設定時間后壓力仍未下降至最高壓力以下，因此會持續卸載正在運行的空壓機，由此產生了額外的電能浪費和機器損耗，因此，在邏輯流程中，加入壓差判斷條件，將總管壓力值每3 s做一次差，如圖4所示。無論從壓力最低開始啟動系統還是達到最高壓力判斷是否卸載時，均同時判斷總管壓力差。如壓力從最低開始，有1臺機器加載，經過T1時間后，如此時壓力仍未超過最低壓力，但是壓差大于零，說明此時從管壓力已經在上升，因此不會開啟下一臺，同時，配合模糊控制器，該情況下模糊控制器會將自動流程中的35 s與15 s適當改變。這樣在原自動控制方式的前提下，又進一步節省了電能消耗。

圖4 完善后系統流程Fig.4 Flow chart of system perfected

4 組態界面設計與能源監測的實現

4.1 組態界面設計

一個良好的控制系統，配合友好的人機操作界面，才能達到理想的控制效果，因此，此控制系統配合西門子WinCC V7.0軟件進行編程與組態，實現對各機器的控制以及相關參數的顯示。當機器發生故障報警時，界面會顯示報警內容，讓維修人員明確故障出現位置。每個工作日結束，可通過界面打印設備參數的日報表。便捷的數據查詢，可查看一年內的機器運行數據。界面實時顯示每臺機器的用電總量，便于管理人員與投入預算進行對比分析，了解節能情況。上位機主界面與空壓機控制界面如圖5所示。

圖5 上位機界面Fig.5 PC interface

4.2 能源監測的實現

現場采集的空壓機電壓與電流趨勢如圖6所示。曲線1代表電壓值，曲線2代表電流值，可以觀察到，很小的一段時間內，空壓機的電流和電壓不會出現明顯的變化，這說明空壓機在一定時間內的狀態是穩定的，因此，每隔1 s記錄一次電壓與電流的值，根據公式可以算出1s中該空壓機的電能消耗。

圖6 空壓機電壓與電流趨勢Fig.6 Compressor voltage and current trends

根據每臺空壓機的瞬時電壓與瞬時電流可算出空壓機的瞬時功率：

式中：U為空壓機的瞬時電壓，V；Ic為空壓機的瞬時電流，A；cosφ為功率因數，這里 cosφ=0.875。 則在t時間內，取t=1 s，即 t=1/3600 h，空壓機的電能消耗為

則該空壓機的累計電能消耗為

由于每秒記錄1次，在上位機界面將記錄的電壓與電流值帶入公式計算出該秒的電能消耗，通過在程序中的累加程序，計算出該空壓機的當前累計能耗，經過實驗，每小時功耗在280～330 kW·h，與空壓機所給參數吻合。

現場配有6臺冷干機，因為壓縮氣體通往用氣車間前，先要通過冷干機過濾。未應用此自動控制系統時，冷干機也需要人工控制，因此，不能及時控制冷干機開啟的數量，經常會出現空壓機開啟較少臺而冷干機開啟較多臺的現象，而實際上，只要保證開啟的冷干機數量與開啟的空壓機數量相等即可，在沒有空壓機開啟時，則保證有1臺冷干機運行即可。在自動程序中，根據空壓機的運行反饋信號，計算出當前開啟的空壓機臺數，根據設定的啟動順序給冷干機發送開啟命令，逐一啟動冷干機，保證冷干機開啟數量與空壓機相同，同時，開啟順序每周更換1次，6周為1個大周期，這樣就使得每臺冷干機的運行時間相近，使其使用時間均衡。這樣就從一定程度上節省了電能消耗。

5 節能效果分析

該廠用氣車間所需壓縮空氣的最低壓力為0.6 MPa。用氣車間的用氣量是不穩定的，因此對空壓站機器的運行要求較高，如用氣量波動峰值為4臺機器同時工作，最低值為1臺機器工作，那么此時空壓站需要一直開啟4臺機器，出現大馬拉小車的情況而且自動化程度較低，本控制方式則是以總管壓力變化速率間接反映用氣車間的實時用氣量，并以此為依據，實時調節機器的運行狀態，同一時間內，最多只有1臺機器為加卸載調節狀態，控制系統會根據當前用氣量及時停掉空載運行的機器，使總管壓力保持穩定的同時，達到節能的目的。應用該系統后，最低壓力設置為0.64 MPa，調節壓力設置為0.66 MPa，最高壓力設置為0.78 MPa，總管壓力趨勢圖如圖7所示。

圖7 總管壓力趨勢Fig.7 Manifold pressure Trend

該控制系統可以滿足用氣車間的生產用氣需求，同時，可以根據用氣車間的用氣量變化確定應該工作的空壓機與冷干機數量，使一定時間內不工作的空壓機停機。根據整個系統運行的情況分析，如果每天用氣量最大的時候，需要開啟4臺空壓機，用氣量最小的時候，需要開啟1臺空壓機，那么，通過程序控制，平均每臺可以減少的工作時間為20%以上，該廠6臺空壓機1年的電費花銷在300萬元以上，由此節省了至少60萬元電費，同時還節省了大量的人工成本。

運行管理等因素都影響著空壓機的能耗情況，只有全面分析綜合考慮，選擇先進的技術合理可行的方法和配套措施，才能確保空壓機節能穩定安全的運行。工作人員要在應用此控制系統的同時，認真做好設備的日常運行管理和維護保養工作，在保障生產的基礎上節能減耗，以提高經濟效益和社會效益。

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