淺談動力設備壓縮空氣系統的集成控制

魏廣敬 辛庚嘉 唐子文 王繼收

摘要：冶金行業是講究高效率的高耗能行業，在冶金過程中能源介質穩定、安全的供應是保證正常生產的必要條件。能源管控中的動力體系主要負責為全廠提供水、電、氣、汽等，本課題以壓縮空氣系統為研究對象，面對冶煉工藝對壓縮空氣穩定性要求，系統實現了壓縮空氣的壓力自動調節、設備自動啟停、循環周期等關鍵技術參數的設置、控制與監控，使整個壓縮空氣系統的工藝要求、技術參數均可由生產調度下傳到現場設備，同時也可將生產過程數據、設備狀態提交管理層，從而實現生產工序實時監控和管理，提高壓縮空氣系統生產效率、自動化程度對于能源管控意義重大。

關鍵詞：銅冶煉;動力設備;壓縮空氣系統;集成控制

1 集成控制的特點及研究內容

動力車間壓縮空氣系統包含設備較多、信號繁雜，所以在實際生產過程中，僅僅依靠人員監控眾多工藝參數的變化，絕對不可能做到壓縮空氣系統的正常運行，必須通過有效的智能監控系統才能使空氣壓縮系統安全、穩定為全廠供應壓縮空氣。通過選定壓縮空氣設備、現場控制系統設備及與調度室監控設備，然后進行編程設計，最終實現壓縮空氣系統的壓力自動調節、設備自動啟停、循環周期等關鍵工藝要求，使整個壓縮空氣系統的工藝要求、技術參數均可由生產調度下傳到現場設備，同時也可將生產過程數據、設備狀態提交管理層，從而實現生產工序實時監控和管理。

2 動力中心壓縮空氣系統簡介

2.1壓縮空氣系統簡介

壓縮空氣系統是指由供氣端至用氣端的設備及管道的總稱。主要由壓縮機、電動機、預旋器、壓力開關、單向閥、儲氣罐、自動排水器、安全閥等組成，但由于單機控制，現場裝機量較多，日常巡檢無法做到實時管控調配，亟需優化！

目前動力中心由0.85MPa和1.4MPa兩種壓縮空氣系統，0.85MPa壓縮空氣系統配置有離心空壓機5臺，干燥機2臺。一方面由空壓機排氣經過干燥機后直接進入干燥氣管網，提供干燥壓縮空氣，另一方面排氣經過干燥機后通過壓縮氣儲罐進入儀表氣管網，提供儀表壓縮空氣。1.4MPa壓縮氣系統配置有螺桿空壓機2臺，干燥機2臺。其經過干燥機后送入管網，為用戶提供干燥壓縮空氣;另有一臺螺桿機為事故應急，停電等突發事件中確保1.4Mpa儀表氣供應。

2.2 兩種空氣壓縮機的機械原理及特點

離心式空氣壓縮機的結構特點：離心式空氣壓縮機組結構簡單，運行可靠;離心式空氣壓縮機主要構件、空氣動力部分、級間冷卻器、整體傳動裝置、潤滑系統和操作控件的制造都能夠保證提供可靠的性能;在壓縮空氣氣道中，離心式空氣壓縮機沒有任何需潤滑部件;離心式空氣壓縮機精確平衡的撓性碟片式聯軸器，將振動降至最低，并且不需要聯接器潤滑油，也可以提供其他聯接方法;離心式空氣壓縮機緊湊的成套底座，將框架、中間冷卻器和潤滑油箱集成在一起，從而具有出色的扭轉剛度。

螺桿式空氣壓縮機采用高容量壓縮組件，其轉子外圓速度低而且達到最佳注油，實現了高效率、高可靠性。通過高效傳動系統以適合用途的最佳速度驅動壓縮組件。正常操作期間完全無需維護。具有免維護、高度可靠和高效率的優點。

3控制系統的軟件設計

3.1 壓縮空氣系統的設計方法

把壓力作為控制對象，壓力變送器將儲氣罐的壓力轉變為電信號送給PID智能調節器，與壓力設定值作比較，并根據差值的大小按既定的PID控制模式進行運算，產生控制信號送變頻調速器，通過變頻器控制電機的工作頻率與轉速，從而使實際壓力P始終接近設定壓力。以離心式空氣壓縮機為例，現場控制系統以開關量輸入為主，輸入輸出總點數小于16，又因為繼電器輸出模塊具有價格低，使用電壓范圍廣等特點，故選用繼電器輸出模塊。綜合以上及該控制系統的設計要求可知該系統采用8點輸入、8點輸出、繼電器輸出的西門子公司的S7-300PLC即可滿足要求。

3.2 控制系統程序框架

在空壓機運行過程中，根據生產實際要求實時調節出氣口壓力，在用戶使用氣流量不大時，空壓機應該減小負載，使貯氣罐中的壓縮空氣壓力維持在穩定水平，在用戶使用壓縮空氣流量突然增加的時候，空壓機應該能夠加大負載，以保證用戶的需求。現場控制級核心即處理器Logix5550通過網絡直接控制電磁閥、主電機、自動排水閥、進氣葉輪等電機和相應的執行機構來壓縮空氣，是整個控制部分的底層處理模塊。具體程序是根據生產工藝結合機械設備來編制的，它主要負責控制電氣設備的運行，需要將生產設備進行輸入輸出定義，并分別對各個工作站的I/O模塊進行分配。

3.4故障信息反饋

壓縮空氣系統的控制系統是非常復雜的系統，運行中難免產生各種電氣故障，需要現場操作人員快速解決，這樣報警信息必須要完善。報警信息分為多種，包括系統報警、溫度報警、動作條件不滿足報警等，必須將所應用的控制系統包括ControlLogix系統、伺服系統、變頻器、工作站等進行歸類和提取，以第一時間顯示在調度室的監控畫面里。

3.5總體驗證

整個控制系統的軟件設計分為兩部分，一部分是下位機對空壓機整個生產過程的控制和數據傳輸程序，另一部分是下位機與上位機進行通信的通訊軟件。軟件采用模塊化設計，按整體功能分成多個的模塊，單獨設計、編程、調試，然后將各模塊裝配聯調，組成完整的軟件。根據壓縮空氣生產的工藝需要，控制系統的軟件設計滿足：1.控制系統軟件應能完成對空壓機整個生產過程的控制，包括對控制面板、限位開關等開關量信號進行檢測，輸出能夠準確可靠的控制電機，電磁閥的啟停。2.控制系統軟件應能完成上＼下位機的通訊，采集下位機的信號實現，產量統計打印報表等管理功能。設備的程序控制方式實現循環（自動）、手動、維護三種操作方式。

結論

采用ControlLogix PLC設備，對動力車間空氣壓縮系統進行DCS系統控制，對壓縮空氣系統中包含的設備的各個參數實時數據進行采集，實時數據通過變送器將4～20mA的模擬量送出，系統通過運算將模擬量轉化為數字量顯示在監控畫面上。采用DCS控制壓縮空氣系統，大幅減少了設備管控成本，提高了系統的可靠性，同時也節省了控制機柜的空間。提高了實際生產中設備的操作性能，在維護階段有出眾的診斷性能，減少了停機時間。全面提升了動力壓縮空氣系統設備的管理管控水平。

參考文獻

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[2]胡小飛.面向空氣壓縮機的數據采集系統的研究與開發[D].上海工程技術大學.