基于TIA Portal 組態的組合壓縮機監控系統

趙佳男，巴 鵬，李 巖

2D-90 往復式壓縮機的密封結構由活塞環密封和迷宮密封組合而成。 活塞環安裝在活塞環槽內， 氣體能進入活塞環的背面， 雖能保證密封性能， 但活塞環在較大壓力下與氣缸產生摩擦， 需要經常更換活塞環以保證密封效果[1]。 在工作過程中， 迷宮密封構件之間沒有摩擦， 不需要潤滑，可以減少機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式壓縮機的性能[2]。 為了確保壓縮機運行的穩定性， 減少不必要的故障與損失， 設計監控系統非常重要，不僅能夠提升實時監測與檢修維護工作效率， 也能降低機器設備故障率。

許多國內外學者對監控系統進行了深入研究。在1998 年， Batchelor Mike[3]就提出利用PLC 作為控制器創建一個監控系統， 通過總線將數據匯總到遠程監控平臺進行數據監控的想法。 Nasution Henry[4]采用模糊邏輯控制器， 通過將一定的規則寫入控制器中進行設備數據分析。 趙瑩[5]通過基于中間件技術的遠程在線監測對壓縮機的重要運動部件及熱力參數進行監測并綜合分析。 巴和平[6]和秦鶴寧[7]等人結合PLC 與WINCC 技術開發了可用于大型往復壓縮機的監控系統。 夏新賓[8]和謝群[9]等人采用模糊PID 控制等方法實現了空壓機各運行參數及設備狀態的實時在線監測。

目前， 基于TIA Portal 組態的往復式壓縮機監控系統的研究還比較少， 尤其是通過嵌入式觸摸屏與PLC 通訊， 進而實現實時監控站內設備及生產運行狀況， 并且可進行遠程控制， 實時顯示站內壓力、 溫度、 流量等過程量， 以及發生故障時及時報警。

1 活塞環密封和迷宮密封

1.1 活塞環密封

當活塞一側容積變小， 氣體被壓縮時， 壓力上升， 另一側容積變大， 活塞兩側會形成壓差。 為防止高壓氣體竄入低壓側， 采用密封環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。 在周期往復的運動中， 密封環磨損后密封性能下降， 可能造成氣缸竄氣， 降低壓縮機效率； 而支撐環過度磨損則會加劇活塞振動，降低壓縮機的使用壽命[10]。

通過分析活塞運動可知， 改變活塞環形截面和支撐環的布置能有效減小活塞環的最大應力， 減少泄漏量。

1.2 迷宮密封

利用密封結構中的節流齒與密封空腔增加流體流動阻力使動能耗散， 從而實現密封。 活塞的外壁不與氣缸內壁接觸， 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生泄漏， 且泄漏量對設備的工作效率及能量消耗有重要影響[11]。

分析得知， 調節節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化與耗散， 可以減少泄漏量， 提高密封能力。

為保證復式壓縮機運行的安全穩定， 遠程監控系統應能準確反映壓縮機的運行情況， 實時采集設備參數并根據采集數據判斷壓縮機的運行狀況， 此外還應具有啟動、 停止、 急停等功能， 以及本地、遠程等控制方式。

2 監控系統設計

2.1 TIA Portal 設備組態

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

圖1 硬件組態圖

2.2 I/O 地址分配

系統工作中， 可編程控制器數字量輸入模塊接收外部設備傳送的數字量信號， 主要為設備啟停信號及狀態； 數字量輸出模塊向外部設備發送數字量控制指令， 控制設備的啟停（ 見表1） 。 模擬量輸出模塊主要通過控制回轉閥， 改變氣體流量（見表2） 。 模擬量輸入模塊用來監測壓縮機的工作情況，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 程序設計

這套監控系統主要監控模擬量和數字量等， 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 設計

在主程序里調用各功能和功能塊， 在CPU 啟動后， OB1 就被循環執行（見圖2）。

圖2 主程序流程圖

說明： PLC 啟動， 調用OB100， 實現初始化。OB1 為系統循環程序， 可在OB1 中調用模擬量采集FB1、 模擬量輸出FB2、 數字量采集FB4、 數字量輸出FB5、 控制轉換FC1。

（2） 模擬量子程序設計

模擬量采集模塊FB1 的主要功能為實時監測各管路數據， 包括進氣、 排氣管氣體溫度， 進、 出油口的溫度和壓力， 進、 出水口溫度等。

模擬量輸出模塊FB2 的主要功能為通過調節回轉閥開度改變氣動管路的流量。

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

常數K1和K2是根據輸入值是單極性還是雙極性而設置的。 本監控系統中均為單極性， 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 進氣回轉閥模擬量輸出程序

3 HMI 組態設計

監控系統選用S7-300 可編程控制器， 由于該控制器獨有的通信協議， 本文選用TIA Portal 進行組態設計。 它功能強大， 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， 從驅動到自動化及HMI、 SCADA 等。

（1） 組態系統變量

在TIA Portal 中， 過程變量用于其與PLC 的通信， 在設備運行時負責采集PLC 系統的數據信息。變量管理器中的每個過程變量都有特有的通信驅動程序和通信通道。 在創建過程變量的時候， 要設置過程變量的名稱、 長度、 格式調整和數據類型， 地址屬性要與設置完成的過程變量訪問的PLC 過程值的地址一致， 溫度、 壓力等監測參數需要設定報警值， 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） 組態監控畫面

根據監控要求設計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 監控主頁面

通過畫面可實時查看設備運行狀況， 以及參數變化情況。 當采集信號超過預設上、 下限時， 系統會報警， 方便操作人員及時處理。

由壓縮機運行過程中， 顯示屏中部分參數的變化（ 見圖8） 。 通過對比發現溫度變送器測得的溫度與HMI 中采集到的數據基本一致（見圖9）。

圖8 HMI 參數

圖9 活塞環氣缸排氣溫度

（3） 監控畫面下載

在TIA Portal 中編寫組態畫面后， 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備維護， 選擇Pack&Go 后會出現一個對畫框， 文件的保存路徑可自行選擇， 之后創建文件， 則在保存的路徑下會出現一個Pack&Go 的壓縮包， 解壓壓縮包， 打開其中的應用程序， 顯示屏選擇Transfer， PC 加載， 即可下載。

4 結 語

通過實驗， 本文監控系統取得以下成果：

（1） 實現了對相應參數的采集及監測功能。

（2） 解決了無法將已經編好的HMI 畫面下載到顯示屏的問題。

（3） 實現了顯示屏與PLC 的通訊功能， 顯示屏可以實現實時監控。

實踐證明， 本文的監控系統能夠對2D-90 往復壓縮機全面監控， 數據準確性明顯提高， 故障明顯降低， 安全性和穩定性得到提高， 使用壽命得到延長， 提高了實驗室現有壓縮機的自動化程度。 本文為其他類型壓縮機設計監控系統提供可行的方法， 該方法可在空氣壓縮機行業推廣使用，提升設備的智能化和自動化控制水平。