基于PLC的空氣壓縮機自動控制系統設計

唐杰

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002）

0 引言

空氣壓縮機是基于空氣分離技術和壓縮技術的機械設備，由于其性能優越、操作簡單、適用性強，已經被廣泛應用到醫療、化工、鋼鐵等多個領域中，比如醫療用品氧氣瓶或者氧氣袋，其制作就是應用空氣壓縮機將高純度的氧氣壓縮到袋內和瓶內。空氣壓縮機運行是否平穩，直接關系到相關產品的生產質量和生產數量，同時還關系到產品安全問題，因此對空氣壓縮機進行自動化控制，是實現產品批量化生產的關鍵。20世紀80年代，美國開展了空氣壓縮機自動控制系統設計研究，推出了世界上第一套自動控制系統，但是由于該項技術還不夠成熟，該套自動控制理論并不適用于空氣壓縮機自動控制。隨后，英國學者在其基礎上對自動控制系統進行了優化和完善，豐富了空氣壓縮機自動控制理論。國內空氣壓縮機自動控制技術起步比較晚，雖然近幾年掀起了空氣壓縮機自動控制系統設計研究熱潮，并取得了一定的研究成果，但是現有的系統仍然存在一定問題，在網絡過載、運行時間過長、控制指令較多時，系統會出現死機和停運現象，這種表現表明了現有系統魯棒性較差，已經無法滿足空氣壓縮機自動控制需求，為此提出基于PLC的空氣壓縮機自動控制系統設計。系統硬件方面設計可編程邏輯控制器（PLC）和傳感器，利用PLC對空氣壓縮機運行邏輯進行控制，利用無線傳感器采集電流、電壓、流量以及壓力等數據；系統軟件方面，由信號輸入單元對信號進行壓縮、放大等處理，實現對數據的采集，利用模糊控制法對空氣壓縮機運行誤差進行計算，并對其進行相應的控制。

1 系統硬件設計

實驗硬件主要由可編程邏輯控制器（PLC）、傳感器兩部分組成，除此之外，還包括一些基礎性硬件，比如服務器、顯示器、鼠標等，這些基礎性硬件在此不做過多說明，系統硬件拓撲圖如圖1所示。

圖1 空氣壓縮機自動控制系統硬件拓撲圖

如圖1所示，PLC 根據系統控制邏輯，生成空氣壓縮機運行數據采集任務，發送給傳感器，控制傳感器對空氣壓縮機壓力、電流、電壓等數據進行采集，然后將其反饋給PLC，PLC 根據空氣壓縮機常規運行邏輯，識別到異常狀態，并生成相應的控制指令發送到系統計算機上，并對空氣壓縮機進行自動控制，使其恢復到正常運行狀態。

1.1 可編程邏輯控制器（PLC）設計

根據系統功能需求，此次將可編程邏輯控制器（PLC）作為空氣壓縮機控制裝置，采用型號為KIDSH/5545PLC，選用STM56SFF565 單片機作為PLC 控制芯片，其由單片機、程序存儲器、數據轉換器和CPIO 端口四部分組成，采用串聯的方式將PLC 與系統電源總線連接，并通過標準的網絡接口與局域網連接，與傳感器和空氣壓縮機聯網。通過CPIO 端口向傳感器發送數據采集任務，并通過該端口接收到傳感器采集的氣壓、電流和電壓等信號，由數據轉換器將采集的模擬量數據轉換為數字量信號，并對信號進行放大處理，發送給STM56SFF565 單片機。單片機事先學習空氣壓縮機運行程序，根據采集到的信號生成控制指令，根據空氣壓縮機自動控制需求，設計了AT+CIPCLOSE 開關關閉、AT+CIPOUP 開關開啟、AT+CIPIOEW 出口壓力初始化、AT+CIPWRYY 進口流量初始化四個控制指令，程序存儲器根據控制指令生成控制程序并存儲。如果當前空氣壓縮機電流和電壓超出標準范圍，則需要關閉空氣壓縮機開關，如果當前空氣壓縮機開關自動跳閘，電壓和電流為零，則需要開啟開關，生成的關閉開關控制邏輯編碼為“0”，生成的開啟開關控制邏輯編碼為“1”，如果當前空氣壓縮機出口壓力和進口流量超出標準范圍，則需要將該兩個運行參數進行初始化，生成的出口壓力初始化控制邏輯編碼為“-1”，生成的進口流量輸出化控制邏輯編碼為“2”，通過執行以上四個控制邏輯，實現對空氣壓縮機自動控制。

1.2 傳感器設計

傳感器的作用是采集空氣壓縮機運行數據，要實現對空氣壓縮機的全面控制，需要了解到空氣壓縮機的電流、電壓、壓力以及流量等信息，故在系統中安裝了型號為HSFA/5264 電流傳感器、型號為SFHAR-5624 電壓傳感器，以及IADYH/25564 壓力流量傳感器，使用伺服電機為三個傳感器提供電源，獨立電源的設置方便系統電源故障排查。利用USB 接口將傳感器與空氣壓縮機連接，根據實際情況對傳感器的采集頻率、周期等參數進行設定，考慮到空氣壓縮機運行數據量較大，為傳感器配備32 GB 硬盤，由讀卡器自動讀取到傳感器采集的數據信號，將其存儲到硬盤中，由硬盤對數據進行分類存儲，供系統計算使用。

2 系統軟件設計

2.1 數據采集

采集對象主要包括空氣壓縮機的出口壓力、進口流量、電源電壓和電流，傳感器輸出的出口壓力和進口電流信號為0 ～15 V 的電壓模擬信號，模擬信號從信號輸入端進入，由一級反向加法單元對信號進行壓縮處理，再經過一級放大單元對信號進行放大處理，將壓力和流量等信號轉換成電壓信號，其表達式為：

式（1）中，表示信號輸入端壓力和流量等信號轉換后的電壓信號；表示原始信號；表示一級反向加法單元對信號的壓縮倍數；表示一級放大單元對信號的放大倍數。正常情況下空氣壓縮機電路信號比較小，需要對其進行放大處理，故對于空氣壓縮機電路信號的采集，采用信號放大單元對空氣壓縮機電壓、電流進行采集轉換，得到空氣壓縮機輸出線路上的電路信號，在空氣放大單元內將空氣壓縮機的額定輸入電流和輸出電流的比值進行設定，利用該參數限定空氣壓縮機電路流量，其用公式表示為：

式（2）中，表示空氣壓縮機電源線路的電流值；表示空氣壓縮機電路中的母線電壓；、表示兩個限流電阻。空氣壓縮機電流經過采樣電阻，可以得到空氣壓縮機二次側的電壓：

式（3）中，表示空氣壓縮機的二次側電壓值；表示空氣壓縮機采樣電阻值。通過對其進行放大處理，獲取到空氣壓縮機的輸出電壓信號：

式（4）中，表示經過放大處理后的空氣壓縮機輸出電壓信號；表示信號放大單元對信號的放大倍數。

2.2 模糊控制

利用模糊控制法對采集的數據信號進行分析，判斷空氣壓縮機運行狀態，從而對其進行模糊控制。假設在同一時間域內，空氣壓縮機的電流、電壓、壓力以及流量的數據集分別為、、、，將其與空氣壓縮機各項參數允許限值進行比對，得到空氣壓縮機運行偏差量：

式（5）中，表示空氣壓縮機運行偏差；x、y、g、k分別表示各項參數集合中的最大值；、、、表示空氣壓縮機各項參數允許限值。利用量化因子將空氣壓縮機運行誤差進行量化處理，其公式為：

式（6）中，H表示量化后的空氣壓縮機運行誤差；表示量化因子。量化后的運行誤差范圍在0 ～1 內，對量化后的運行誤差進行模糊評價，以0.5 作為一個評判界線。如果運行誤差超過0.5，則表示空氣壓縮機運行狀態非常差，需要關閉開關，停止運行對其進行檢修；如果運行誤差小于0.5，則表示空氣壓縮機運行狀態只是輕微的異常，將超出運行標準的參數值進行初始化，保證其正常運行，從而實現對其自動化控制，進而完成系統設計。

3 實驗論證分析

實驗以某空氣壓縮機為實驗對象，該空氣壓縮機型號為KADF/56945，利用此次設計系統與傳統系統對該空氣壓縮機進行自動控制。實驗準備了一臺可編程邏輯控制器、一臺壓力傳感器、一臺電流傳感器和一臺電壓傳感器，將傳感器的數據采集周期設定為0.15 s，采集頻率設定為0.26 Hz，將可編程邏輯控制器控制周期設定為0.55 s，控制頻率設定為0.34 Hz。實驗共采集到2.15 GB 空氣壓縮機運行數據，通過對數據處理、分析，形成控制指令并執行，具體控制情況如表1所示。

表1 空氣壓縮機自動控制情況

從表1 中數據可以看出，設計系統空氣壓縮機自動控制功能可以正常使用，并且能夠快速執行所有控制指令。為了進一步驗證設計系統的可靠性，實驗以魯棒性和系統數據傳輸性能作為此次實驗指標，魯棒性是指系統在超負載運行下不死機、不崩潰，實驗共分八組，每組實驗在前一組運行時間基礎上增加12 h，網絡過載增加10%，控制指令增加5.5%，每組實驗時間為8 h，第一組實驗系統連續運行72 h 之后，開始記錄8 h 之內系統死機時間，死機時間越長，表示系統魯棒性能越差，死機時間越短表示系統魯棒性能越好，利用SFAU 軟件測量每組實驗中兩個系統死機時間，通過該指標對比兩種性能魯棒性，實驗數據如表2所示。

表2 兩種系統魯棒性對比

通過對表2 中數據分析可以得出以下結論：設計系統在實驗中死機時間比較短，最長死機時間僅為1.41 s，在超負載運行情況下可以將死機時間控制在2 s 以內，說明設計系統具有良好的魯棒性；而傳統系統在實驗中死機時間最長已經達到24.16 s，最短死機時間為15.36 s，遠遠長于設計系統，因此實驗結果證明了，設計系統魯棒性優于傳統系統，具有較強的生存能力。

當系統服務器建立連接后，每隔5 s 服務器向傳感器發送一個數據采集任務，傳感器每次上傳數據的字節大小要比上一次增加4 個字節，使用OUAD 軟件監測傳感器采集數據包上傳速率，對系統數據傳輸性能驗證，實驗結果如圖2所示。

圖2 兩種系統數據傳輸速率對比圖

從圖2 可以看出，隨著上傳數據字節的增大，設計系統數據傳輸速度波動變化不大，均在7 500 bps 以上，超出了最低限值，說明設計系統能夠快速傳輸空氣壓縮機運行數據包；而傳統系數數據傳輸速率會隨著數據字節的增大而逐漸減慢，從圖2 中兩個變化曲線對比，可以明顯地看出設計系統數據傳輸性能優于傳統系統，更適用于空氣壓縮機自動控制。

4 結論

此次在傳統系統基礎上，應用PLC對空氣壓縮機進行控制，提出了一個新的空氣壓縮機自動控制系統設計思路，并通過實驗驗證了該系統具有較好的魯棒性，有助于提供空氣壓縮機控制的自動化水平，同時還有助于提高空氣壓縮機生產效率，為空氣壓縮機穩定運行提供了技術保障，具有良好的現實意義。但是由于該系統尚未在實際中大量操作和應用，在某些方面可能存在一些不足之處，今后會對該系統優化和創新方面進行研究，為空氣壓縮機自動控制提供有力的理論支撐。