基于TIA Portal 組態(tài)的組合壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

趙佳男，巴 鵬，李 巖

2D-90 往復(fù)式壓縮機(jī)的密封結(jié)構(gòu)由活塞環(huán)密封和迷宮密封組合而成。 活塞環(huán)安裝在活塞環(huán)槽內(nèi)， 氣體能進(jìn)入活塞環(huán)的背面， 雖能保證密封性能， 但活塞環(huán)在較大壓力下與氣缸產(chǎn)生摩擦， 需要經(jīng)常更換活塞環(huán)以保證密封效果[1]。 在工作過程中， 迷宮密封構(gòu)件之間沒有摩擦， 不需要潤滑，可以減少機(jī)器使用時的磨屑和油污染等問題， 但由于采取非接觸密封方式必然存在著較大的泄漏損失， 并且泄漏量的大小直接影響往復(fù)式壓縮機(jī)的性能[2]。 為了確保壓縮機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性， 減少不必要的故障與損失， 設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)非常重要，不僅能夠提升實(shí)時監(jiān)測與檢修維護(hù)工作效率， 也能降低機(jī)器設(shè)備故障率。

許多國內(nèi)外學(xué)者對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。在1998 年， Batchelor Mike[3]就提出利用PLC 作為控制器創(chuàng)建一個監(jiān)控系統(tǒng)， 通過總線將數(shù)據(jù)匯總到遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控的想法。 Nasution Henry[4]采用模糊邏輯控制器， 通過將一定的規(guī)則寫入控制器中進(jìn)行設(shè)備數(shù)據(jù)分析。 趙瑩[5]通過基于中間件技術(shù)的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測對壓縮機(jī)的重要運(yùn)動部件及熱力參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測并綜合分析。 巴和平[6]和秦鶴寧[7]等人結(jié)合PLC 與WINCC 技術(shù)開發(fā)了可用于大型往復(fù)壓縮機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)。 夏新賓[8]和謝群[9]等人采用模糊PID 控制等方法實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)各運(yùn)行參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時在線監(jiān)測。

目前， 基于TIA Portal 組態(tài)的往復(fù)式壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研究還比較少， 尤其是通過嵌入式觸摸屏與PLC 通訊， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控站內(nèi)設(shè)備及生產(chǎn)運(yùn)行狀況， 并且可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制， 實(shí)時顯示站內(nèi)壓力、 溫度、 流量等過程量， 以及發(fā)生故障時及時報警。

1 活塞環(huán)密封和迷宮密封

1.1 活塞環(huán)密封

當(dāng)活塞一側(cè)容積變小， 氣體被壓縮時， 壓力上升， 另一側(cè)容積變大， 活塞兩側(cè)會形成壓差。 為防止高壓氣體竄入低壓側(cè)， 采用密封環(huán)以阻斷氣體在活塞與氣缸壁之間的泄漏通道， 保證氣體周期性地吸入、 壓縮和排出。 在周期往復(fù)的運(yùn)動中， 密封環(huán)磨損后密封性能下降， 可能造成氣缸竄氣， 降低壓縮機(jī)效率； 而支撐環(huán)過度磨損則會加劇活塞振動，降低壓縮機(jī)的使用壽命[10]。

通過分析活塞運(yùn)動可知， 改變活塞環(huán)形截面和支撐環(huán)的布置能有效減小活塞環(huán)的最大應(yīng)力， 減少泄漏量。

1.2 迷宮密封

利用密封結(jié)構(gòu)中的節(jié)流齒與密封空腔增加流體流動阻力使動能耗散， 從而實(shí)現(xiàn)密封。 活塞的外壁不與氣缸內(nèi)壁接觸， 避免摩擦， 依靠活塞上的迷宮保證密封， 大大提高了活塞的使用壽命， 不足之處在于迷宮密封非接觸方式必然會產(chǎn)生泄漏， 且泄漏量對設(shè)備的工作效率及能量消耗有重要影響[11]。

分析得知， 調(diào)節(jié)節(jié)流片的傾斜角度有助于增加間隙阻力， 提高空腔中能量的轉(zhuǎn)化與耗散， 可以減少泄漏量， 提高密封能力。

為保證復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行的安全穩(wěn)定， 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能準(zhǔn)確反映壓縮機(jī)的運(yùn)行情況， 實(shí)時采集設(shè)備參數(shù)并根據(jù)采集數(shù)據(jù)判斷壓縮機(jī)的運(yùn)行狀況， 此外還應(yīng)具有啟動、 停止、 急停等功能， 以及本地、遠(yuǎn)程等控制方式。

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 TIA Portal 設(shè)備組態(tài)

編寫PLC 監(jiān)控程序之前， 需要在軟件中組態(tài)可編程控制器的硬件， 在TIA Portal 中設(shè)置與實(shí)際安裝PLC 模塊完全相同的硬件信息， 建立設(shè)備組態(tài)。 控制器選擇315-2DP PLC， 在組態(tài)中添加相應(yīng)硬件， 硬件包括機(jī)架、 電源、 CPU、 信號模塊、 通訊模塊、 變頻器DP 從站等（見圖1）。

圖1 硬件組態(tài)圖

2.2 I/O 地址分配

系統(tǒng)工作中， 可編程控制器數(shù)字量輸入模塊接收外部設(shè)備傳送的數(shù)字量信號， 主要為設(shè)備啟停信號及狀態(tài)； 數(shù)字量輸出模塊向外部設(shè)備發(fā)送數(shù)字量控制指令， 控制設(shè)備的啟停（ 見表1） 。 模擬量輸出模塊主要通過控制回轉(zhuǎn)閥， 改變氣體流量（見表2） 。 模擬量輸入模塊用來監(jiān)測壓縮機(jī)的工作情況，包括溫度、 壓力等（見表3）。

表1 I/O 分配表

表2 模擬量輸出表

表3 模擬量輸入表

2.3 PLC 程序設(shè)計

這套監(jiān)控系統(tǒng)主要監(jiān)控模擬量和數(shù)字量等， 程序主要分為主程序， 中斷程序， 輸入、 輸出采集子程序等。

（1） 主程序OB1 設(shè)計

在主程序里調(diào)用各功能和功能塊， 在CPU 啟動后， OB1 就被循環(huán)執(zhí)行（見圖2）。

圖2 主程序流程圖

說明： PLC 啟動， 調(diào)用OB100， 實(shí)現(xiàn)初始化。OB1 為系統(tǒng)循環(huán)程序， 可在OB1 中調(diào)用模擬量采集FB1、 模擬量輸出FB2、 數(shù)字量采集FB4、 數(shù)字量輸出FB5、 控制轉(zhuǎn)換FC1。

（2） 模擬量子程序設(shè)計

模擬量采集模塊FB1 的主要功能為實(shí)時監(jiān)測各管路數(shù)據(jù)， 包括進(jìn)氣、 排氣管氣體溫度， 進(jìn)、 出油口的溫度和壓力， 進(jìn)、 出水口溫度等。

模擬量輸出模塊FB2 的主要功能為通過調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)閥開度改變氣動管路的流量。

現(xiàn)場采集到的模擬信號是不具備物理量的數(shù)字量單位， 需要將其轉(zhuǎn)換為以工程單位表示的， 介于下限和上限之間的實(shí)型值， 然后將結(jié)果寫入out，轉(zhuǎn)換公式如式(1) 所示：

常數(shù)K1和K2是根據(jù)輸入值是單極性還是雙極性而設(shè)置的。 本監(jiān)控系統(tǒng)中均為單極性， 則有K1=0， K2=27 648。

筆者給出模擬量采集的部分編程（見圖3）。

圖3 氣缸進(jìn)氣溫度模擬量采集程序

模擬量輸出原理與模擬量輸入類似， 轉(zhuǎn)換公式如式(2) 所示：

式中： out—輸出值； IN—輸入值； HILIM—上限值；LOLIM—下限值。

筆者給出模擬量輸出的部分編程（見圖4）。

圖4 進(jìn)氣回轉(zhuǎn)閥模擬量輸出程序

3 HMI 組態(tài)設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)選用S7-300 可編程控制器， 由于該控制器獨(dú)有的通信協(xié)議， 本文選用TIA Portal 進(jìn)行組態(tài)設(shè)計。 它功能強(qiáng)大， 可用來編寫PLC 程序，也可用來在一個平臺上完成從過程控制到離散控制， 從驅(qū)動到自動化及HMI、 SCADA 等。

（1） 組態(tài)系統(tǒng)變量

在TIA Portal 中， 過程變量用于其與PLC 的通信， 在設(shè)備運(yùn)行時負(fù)責(zé)采集PLC 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息。變量管理器中的每個過程變量都有特有的通信驅(qū)動程序和通信通道。 在創(chuàng)建過程變量的時候， 要設(shè)置過程變量的名稱、 長度、 格式調(diào)整和數(shù)據(jù)類型， 地址屬性要與設(shè)置完成的過程變量訪問的PLC 過程值的地址一致， 溫度、 壓力等監(jiān)測參數(shù)需要設(shè)定報警值， 完成HMI 變量與PLC 過程值的信息交換（見圖5）。

圖5 HMI 變量表

（2） 組態(tài)監(jiān)控畫面

根據(jù)監(jiān)控要求設(shè)計HMI 界面， 包含登錄界面、菜單界面及潤滑流程圖界面等（見圖6～7）。

圖6 登錄界面

圖7 監(jiān)控主頁面

通過畫面可實(shí)時查看設(shè)備運(yùn)行狀況， 以及參數(shù)變化情況。 當(dāng)采集信號超過預(yù)設(shè)上、 下限時， 系統(tǒng)會報警， 方便操作人員及時處理。

由壓縮機(jī)運(yùn)行過程中， 顯示屏中部分參數(shù)的變化（ 見圖8） 。 通過對比發(fā)現(xiàn)溫度變送器測得的溫度與HMI 中采集到的數(shù)據(jù)基本一致（見圖9）。

圖8 HMI 參數(shù)

圖9 活塞環(huán)氣缸排氣溫度

（3） 監(jiān)控畫面下載

在TIA Portal 中編寫組態(tài)畫面后， 需要將其下載到TP1200 顯示屏上， 通常將編寫完成的畫面與顯示屏連接好即可將畫面下載到顯示屏中， 如遇到無法下載時， 可選擇需要下載的畫面， 在TIA Portal 工具欄中的在線找到設(shè)備維護(hù)， 選擇Pack&Go 后會出現(xiàn)一個對畫框， 文件的保存路徑可自行選擇， 之后創(chuàng)建文件， 則在保存的路徑下會出現(xiàn)一個Pack&Go 的壓縮包， 解壓壓縮包， 打開其中的應(yīng)用程序， 顯示屏選擇Transfer， PC 加載， 即可下載。

4 結(jié) 語

通過實(shí)驗(yàn)， 本文監(jiān)控系統(tǒng)取得以下成果：

（1） 實(shí)現(xiàn)了對相應(yīng)參數(shù)的采集及監(jiān)測功能。

（2） 解決了無法將已經(jīng)編好的HMI 畫面下載到顯示屏的問題。

（3） 實(shí)現(xiàn)了顯示屏與PLC 的通訊功能， 顯示屏可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控。

實(shí)踐證明， 本文的監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)?D-90 往復(fù)壓縮機(jī)全面監(jiān)控， 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性明顯提高， 故障明顯降低， 安全性和穩(wěn)定性得到提高， 使用壽命得到延長， 提高了實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有壓縮機(jī)的自動化程度。 本文為其他類型壓縮機(jī)設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)提供可行的方法， 該方法可在空氣壓縮機(jī)行業(yè)推廣使用，提升設(shè)備的智能化和自動化控制水平。