空壓機組智能群體控制技術

溫雪媛，李盛健，熊銳博，藍小棚，陸潤年，付曉飛

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545000）

0 引言

空氣壓縮機（簡稱空壓機）能夠將空氣由低壓力轉為高壓力，從而實現輸出高壓力壓縮壓縮空氣的功能。壓縮空氣是一種工業領域重要的動力源，在機器人、氣動噴槍等工業設備中起到關鍵作用，因此在現代工業領域中得到廣泛應用。

空壓機主要分為螺桿式空壓機與離心式空壓機。螺桿式空壓機主要特點是體積較小，易損件較少便于維護，進排氣均勻且無壓力脈沖。離心式空壓機主要特點是體積較大，維護、操作要求較高，排氣量變化會對機械運行效率產生較大影響。螺桿式空壓機相較于離心式空壓機單位功耗產氣量更小，因此在應對高壓縮空氣需求時，工廠必然投入多臺離心式空壓機與螺桿式空壓機，設定不同的空壓機加載組合來應對廠區用氣需求[1]。

包含多臺不同型號的大型空壓站內，在日常生產投入中，通常會出現供氣壓力不穩定、操作空壓機啟停響應時間慢、空壓機操作不當導致耗能過高、經常需要工人穿梭空壓站房的高噪聲環境等問題。針對以上在實際生產中遇到的難點，本文以采集并讀取空壓機關鍵數據為切入點，通過在電腦端建立視窗監視與控制系統，實現對空壓機群組啟停智能控制。

1 系統設計方案

1.1 系統設計框架

首先使用PLC 與PC 組成的計算機控制系統對空壓機進行關鍵信號采集，對空壓機進行遠程監測、控制、報警與數據記錄。控制系統中下位機選用西門子S7-1200PLC，其具有模塊化、結構緊湊、功能全面等特點，適用于多種應用，能夠保障現有投資的長期安全。由于控制器的可擴展和靈活設計特點，其通信接口符合工業通信標準以及其廣泛的集成技術特性，使其能夠參與建立一個完整的自動化綜合解決方案。

系統上位機選用符合企業要求的普通微型計算機，可在該計算機內安裝SIMATIC WinCC V7 組態軟件，搭建人機交互界面從而實現關鍵參數顯示與多樣化控制的功能。WinCC 系統能提供可視任務所需的組件、函數、腳本、報警、趨勢和報表的編輯器?；鞠到y中的歷史數據歸檔以較高的壓縮比進行長期數據歸檔，并具有數據導出和備份功能。WinCC 可以與多種自動化設備及控制軟件集成，它是一個高度開放的過程可視化系統，可以實現更大程度的生產過程透明性。還需要安裝Siemens Simatic TIA Portal V16 軟件，通過該軟件可實現對西門子S7-1200PLC 的編程，實現空壓機群組智能控制。空壓機群組智能控制系統結構如圖1所示。

圖1 控制系統

現場傳感器用于采集現場信號，其中的溫度信號、電流信號與壓力信號經智能模塊RS485 傳送至上位機程序接口，經變送以PLC 標準信號形式傳送至上位機。系統通過在壓縮機的排氣口安裝壓力及溫度傳感器，對壓縮機的排氣壓力和溫度進行監測并對冷卻系統、潤滑系統和電機等的溫度數據進行采集?，F場傳感器用于采集現場信號，溫度和電流信號通過智能模塊RS485 發送到上位機程序接口，其他信號通過PLC 標準信號上傳至上位機。本系統監測壓縮機排氣壓力和溫度，并通過安裝壓力和溫度傳感器檢測相應信號，將冷卻系統、潤滑系統和發動機的溫度、壓力數據傳輸到上位機?？刂乒癜藛⑼o源信號、運行燈、報警燈等開關量信號，以及電動機的電量參數等模擬量信號[2]。

變頻器在空壓機的運行中起著變頻啟動、穩定供風、保護設備及節能降耗的作用。但是在實際的工作中，變頻器的使用又引發了諧波干擾問題，影響了附近的電力及控制設備，造成了電機額定功率下的溫升增加等。在空壓機運行中，變頻器起到變頻啟動、穩定供氣、保護設備、節能降耗等作用。但在實踐中，使用變頻器會造成諧波干擾影響附近電力控制設施和控制設備的問題，導致在電機額定功率內溫升增加等問題。

1.2 空壓機節能群控系統原理

空壓機群控的核心在于實現供氣端與用氣端之間的平衡關系[3]。如圖2 所示，空壓機組為供氣端，廠區用氣設備為用氣端，空壓機組為廠區用氣設備供氣時，壓縮空氣壓力值保持在較穩定的波動范圍內，且壓縮空氣壓力波動范圍值盡可能接近用氣設備所需的最低壓縮空氣壓力。壓縮空氣壓力進行變化時，可優先使用裝有變頻機的大功率螺桿式空壓機應對氣壓波動；氣壓波動更大的時候再使用多臺較小功率螺桿式空壓機進行調控；為保障生產安全，當空壓機存在安全系數超出安全范圍時立即減載該空壓機并加載合適的空壓機，加快問題處理響應速度，保障生產安全。這樣可以盡量減少壓縮空氣供氣量浪費，使供氣量盡可能接近與用氣需求量，從而達到減少耗電量的目的。空壓機群控節能措施主要為以下3 點：螺桿式空壓機輪換啟停機制、變頻機自動調控、特定情況自動開關機。螺桿式空壓機輪換啟停機制作用為避免某一空壓機因氣壓波動頻繁加減載，導致空壓機損耗增加；變頻機自動控制作用為通過PID 控制，使空壓機電機頻率自動變化，保持壓縮空氣氣壓穩定在設定值，減少壓縮空氣供應浪費從而在滿足供氣需求時降低電耗；特定情況自動開關機作用為當空壓機內部關鍵參數超出預警值時，及時關停問題設備并及時加載其他空壓機保持氣壓穩定，避免空壓機問題運行時間過長導致空壓機電機損壞，產生不必要的損失。以下為空壓機節能群控具體措施。

圖2 壓縮空氣供給平衡

1.2.1 螺桿式空壓機輪換啟停機制

螺桿式空壓機輪換啟停機制功能可以實現多臺螺桿式空壓機循環處于加載待機狀態。螺桿式空壓機若頻繁進行加減載動作，對空壓機的效率與壽命會造成不良影響，且危及站房設備安全，增加安全隱患。

空壓機加減載是空壓機正常運作的一部分，但空壓機頻繁加減載會對空壓機造成大的傷害。空壓機頻繁加卸載會導致進氣閥、泄放閥、氣缸、最小壓力閥等閥門損壞。當空壓機頻繁加減載，空壓機電機在輕重負載頻繁更換的整個過程中需要很長時間，會嚴重損壞電機和主機滾動軸承。與此同時空壓機耗電量增加，輸出單位體積的壓縮空氣時需要更多的電力消耗，產出能效低。因此，在上位機的微型計算機處可編寫程序，實現多臺小螺桿機輪換處于加載待機狀態。即當前設置一種螺桿機加減載順序，當壓縮空氣管道壓力超過相應的氣壓控制上下限時，加載或減載螺桿機；每隔1h，改變一次螺桿機加減載順序，使得不同的螺桿機均可存在啟停機會，而不是頻繁啟停某個螺桿機，從而避免出現頻繁加載某一螺桿機的情況。

1.2.2 變頻機自動調控

變頻機一般都安裝在較大功率的螺桿機，該功能可以根據變頻機的具體情況，實現對大功率螺桿機的合理控制。利用模糊PID 技術，控制變頻機的轉速。模糊控制PID 能夠實時調整三個PID 參數。利用模糊邏輯并根據一定的模糊規則對PID 的參數進行實時的優化，以克服傳統PID 參數無法實時調整PID 參數的缺點。

利用實時監測的空壓機出口壓縮空氣壓力值，將其反饋至PID 模糊控制的輸入端，通過找出PID 的3個參數與誤差和誤差變化率的關系，對PID 的3 個參數進行實時調整。由此可實現變頻機穩定輸出，應對壓縮空氣壓力波動，如圖3 所示。

圖3 壓力模糊控制

1.2.3 特定情況自動開關機

該功能可在特定情況下使小空壓機機自動加減載。當空壓機出現電機溫度過高或電流過高時，此時會在上位機處的人機交互界面進行報警，該空壓機將進入危險的運行環境。若此時正處于為廠區生產持續供氣過程中，若不能及時關閉出現報警的空壓機或開啟其他空壓機保證壓縮空氣壓力，會對空壓機造成較大損壞，且可能會對企業生產造成較大影響。因此出現空壓機警報信號時，可利用程序使得出現報警信號的空壓機及時卸載，并根據螺桿式空壓機輪換加載待機程序，及時加載已經處于加載待機的螺桿式空壓機，保證生產供氣穩定性[4]。

2 PLC 系統設計方案

2.1 PLC 的選擇

本文使用的PLC 為西門子系列的S7-1200PLC，該PLC 中的每一種模塊都可以進行擴展，本文選擇的為CPU 1211C?？稍谌蜟PU 的前方加入一個信號板，輕松擴展數字或模擬量I/O，同時不影響控制器的實際大小?？蓪⑿盘柲K連接至CPU 的右側，進一步擴展數字量或模擬量I/O 容量。

2.2 傳感器的選擇

本系統使用的溫度傳感器為KTY84 溫度傳感器。KTY84 溫度傳感器芯片結構基于擴散電阻原理，主要成分是硅，硅天性穩定，測量范圍內都具有實際在線線性的溫度系數，確保了溫度測量的高精確度。所以此類具有精度高、可靠性高和穩定性強以及正溫度系數的特點。

2.3 繼電器的選擇

相序保護可采用相序繼電器，當電路中相序與指定相序不符時，相序繼電器將觸發動作，切斷控制電路的電源從而達到切斷電動機電源、保護電動機的目的[5]。

3 人機界面設計

通過WinCC 搭建人機交互界面，從而實現關鍵參數顯示與多樣化控制的功能。WinCC 基本系統具有各種標準功能，入過程值的監測與控制，事件觸發與確認，測量值與消息的通知與記錄，以及用戶管理等等。人機交互監控系統應具備以下特點。

（1）空壓機遠程啟?？刂啤？諌簷C運行系統可實現自動控制與手動控制切換的功能。在自動控制下，根據編寫好的空壓機啟停程序，使螺桿式空壓機在管道氣壓高于設定值時，按照設定的順序自動減載相應螺桿機；在管道氣壓低于設定值時，按照設定的順序自動加載相應螺桿機。并且變頻機在低轉速時自動減載螺桿機。同時系統還應該具有故障情況下的保護性停機，比如螺桿機電機溫度超出設定的安全值時，應立即報警并自動減載該故障螺桿機。

（2）實時數據檢測。各空壓機應該有各自的空壓機數據實時顯示畫面，當點擊某空壓機圖標畫面是即可顯示該空壓機數據顯示窗口，顯示該螺桿機內三相電機的相電壓、相電流、有功功率以及功率因數，電機與潤滑系統溫度，螺桿機產氣速率等數據。并且可顯示并記錄當前空壓機產氣量與用電量比值，用來呈現該螺桿機運行效率。由基礎數據組成的空壓機相關數據，可利用WinCC 腳本系統編寫腳本，從而計算想要的數據。

（3）空壓機組形象展示?？刹捎媚M圖片素材與動畫效果展現空壓機組運行畫面，可使用WinCC 提供的庫文件進行編制，并使用WinCC 自帶的腳本功能編制腳本，實現自己想要的顯示功能。

（4）數據查詢與報表記錄。使用OPC 通信技術，可實現以上位機為服務器的數據遠程傳輸，并利用sql 數據庫對數據進行采集與存儲，并使用WinCC 報表系統制作相應數據的日報表與月報表，記錄空壓機內各項監測數據與壓縮空氣壓力與流量數據。

（5）報警保護機制。當空壓機電機關鍵參數超出安全范圍時，若不及時發出報警并通知相關負責人，會有較大的安全隱患與供氣風險，從而影響生產。首先可設置聲光報警機制，當空壓機內部參數超出安全范圍時在上位機發出聲光報警，提醒值班人員；還可增加遠程無線報警系統，通過短信的方式直接將報警信息發送至設備負責人的手機中。

4 結語

綜上所述，空壓機組智能群體控制技術是根據多臺不同型號的螺桿式空壓機同時運行的時候，所采取的一種智能化節能控制方式。與單臺或少量空壓機運行方式不同，多臺不同型號的空壓機群控控制更適用于壓縮空氣使用量較大的企業或工廠，靈活控制多臺空壓機，確保壓縮空氣供應的智能化與節能化。