基于STM32 單片機的工頻空壓機改造及其節能控制系統設計

蔣進寧

（東風柳州汽車有限公司，柳州 545000）

東風柳州汽車有限公司車架車間采用4 臺美國壽力公司生產的110 kW 工頻空氣壓縮機（以下簡稱工頻空壓機）進行集中供氣。由于車間每天排產不同，需要人工開啟1～3 臺空壓機，若人工控制不及時，會造成大量用氣損耗，生產受到不同程度的影響[1]。同時，空壓機為工頻，不能調節氣體輸出量，在下半夜、交接班時等低用氣量時段，造成大量氣源浪費。因此，將空壓站內的工頻空壓機改造成變頻空壓機，并開發定時、遠程開關機功能，可以減少電能浪費，帶來良好的經濟效益。

1 用氣損耗分析

車間每天主要有2 個班次，下半夜有極少部分工位需要開工。在生產過程中，工頻空壓機運行能源浪費主要表現在3 個方面。

1.1 生產各時段用氣量不同

在班次交接班時段，設備開動率不高，用氣需求量下降，易造成能源浪費。二班設備開動較少，用氣量較少。三班設備開動率極低，但需要用氣，仍需1 臺空壓機供氣，浪費的能源至少占40%。

1.2 長時間延時關機

當用氣量明顯減少時，工作人員不能根據現場的用氣需求，及時關閉部分空壓機，多臺機器延時運行1～2 h，能源浪費量極大。

1.3 空壓機過壓運行

工頻空壓機不能根據現場用氣氣壓來設定合理的加卸載壓差，其加卸載壓差一般需設定為650～750 kPa，高于現場590 kPa 的氣壓需求，否則會出現空壓機頻繁進行加、卸載動作，造成部件損耗，縮短設備壽命[2]。經實際運行測得，空壓機的輸出氣壓每降低100 kPa 可節能約7%的電量。

2 改造方案選擇

改造方案有2 種，一是可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制方案，二是STM32 單片機控制方案。PLC 硬件成熟，模塊化程度高，使用方便，但缺點明顯，其編程方法為梯形圖、結構化控制語言（Structured Control Language，SCL），與云服務器數據交互時存在明顯劣勢，編程煩瑣。如果采用STM32 單片機控制方案，則需要自行設計硬件，要求設計人員要具備良好的硬件設計功底。該控制方案對硬件設計要求高，在大功率變頻器運行的干擾下，系統必須具有優秀的抗干擾能力[3]。但是，單片機的最大優勢在于采用C 語言編程，程序可讀性極高，便于設備調試、云服務器數據對接與編程。根據經驗和能力，文章采用STM32 單片機設計控制系統，獨立開發控制系統硬件。

3 關鍵技術分析

3.1 信號干擾

變頻器會對控制系統造成干擾。在工業生產中，變頻器驅動大功率電機會產生諧波干擾信號，進而干擾周圍設備。

變頻器主要干擾其他設備的模數轉換（Analog to Digital，AD）信號采集以及設備間的通信。一方面，干擾AD 信號采集。STM32 單片機內部的AD 轉換器主要采集儲氣罐壓強信號，在現場測試過程中，其受干擾非常嚴重。在未運行變頻器的靜態測試中，AD轉換器采集的壓強信號的精度約為0.5%；而運行變頻器后，測試出的AD 信號飄移嚴重，漂移±40 kPa，精度約為6%，比例-積分-微分（Proportional Integral Derivative，PID）控制器無法正常工作。

另一方面，干擾單片機與空壓機的數據通信。在測試過程中，未啟動變頻器時通信正常，一旦啟動變頻器，干擾信號就立即加載到通信線上，單片機與空壓機無法正常通信，通信循環冗余校驗碼（Cyclic Redundancy Check，CRC）通過率低。這2 個信號干擾問題嚴重影響系統的穩定性，因此要對硬件電路進行迭代、優化，以解決這些問題。

3.2 各節點壓強監控

為了實時監控整個系統管網各關鍵節點的壓強，應合理選擇設備通信方式。如果采用有線通信方式，則需要進行大規模布線，改造成本高；若采用無線RS-485 傳輸模塊與主機進行通信，可能會受到現場設備的信號干擾。因此，在設計硬件電路時，采用合宙4G 通信模塊進行數據通信，以提升數據通信的可靠性和穩定性[3]。

4 控制系統總體設計

空壓站整體控制系統如圖1 所示，主控制器1 控制4 臺空壓機。為節省改造成本，用變頻器對其中1 臺工頻空壓機進行變頻改造，用于調整空壓站氣體輸出量，另外3 臺不進行改造，仍為工頻空壓機，4 臺設備形成聯動控制。

圖1 空壓站整體控制系統

主控制器使用STM32F407 單片機進行設計和實現，具有輸入/輸出（Input/Output，I/O）、AD、數模轉換（Digital to Analog，DA）、4G 遠程通信、RS-485通信、觸摸屏串行接口等功能，通過RS-485 總線控制4 個空壓機，并進行數據交換。

在空壓站房內，由1 臺主控制器2 控制3 路管路電動閥、3 臺冷干機、采集流量計數據，主控制器1與主控制器2 通過RS-485 總線實現Modbus 數據通信，數據由主控制器1 上傳至云端。

通過DA 模擬量輸出模塊控制HLP-SK190 變頻器的運行頻率，從而控制電機的轉速，達到調節輸出氣量的目的。同時，在控制器與變頻器之間增加必要的硬件互鎖，如變頻器使能、故障、運行等信號，以保證系統安全。

節點壓強的采集采用由STM32103C8T6 芯片設計而成的控制板，以合宙Air724 作為4G 通信模塊，由于節點壓強無干擾信號，用單片機自身的AD 模擬量功能。通過4G 模塊發布節點數據，使用消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協議將數據上傳至華為云服務器。主控制器可通過訂閱的方式獲得各節點壓強。華為云服務器具有數據存儲、數據分發等功能。

5 主控制器硬件電路設計

經過多版本硬件電路的設計、應用、測試及迭代，最終設計出穩定的硬件電路。下面對各關鍵部分的硬件電路設計進行分析。

5.1 單片機系統

根據設計要求、芯片性能及外設接口，留有充分的控制余量，選用意法半導體公司生產的STM32F407VET6單片機。單片機復位系統采用MAX809 復位芯片進行復位，保證復位功能的有效性和穩定性。在測試過程中發現，若只采用阻容元件設計復位電路，則在變頻器強烈的諧波信號干擾下，單片機偶爾復位不成功，無法運行[4]。因此，除了硬件復位電路，必須在程序中增加看門狗程序，防止單片機在極端條件下出現程序跑飛的情況，確保系統故障時能夠有效復位。

5.2 通信模塊

系統使用5 路串行通信接口，具體分配及功能如表1 所示。為提升系統穩定性，使用隔離RS-485 通信芯片，選用亞德諾半導體公司生產的單電源隔離型數據收發器ADM2587。單片機與2 個電能表之間采用RS-485 進行通信，通信協議采用DLT645-2007 協議，實現電能表與數據采集設備之間的數據交換。主控制器2 與主控制器1 共用電能表的485 總線，通信協議為Modbus；主控制器與空壓機使用Modbus 協議進行通信。

表1 串口分配及功能表

4G 模塊選用合宙Air724 通信模塊，因模塊支持Luat 二次開發，極大地方便互聯網應用與編程。各控制器通過Air724 4G 模塊進行數據訂閱與發布。

5.3 AD、DA 模擬量模塊設計

選用ADS1256 芯片設計4 路AD 檢測，選用亞德諾半導體公司生產的集成式隔離數據收發器ADM2587。ADS1256 是一款16 位高精度、低噪聲的模數轉換器，經過實測，其檢測精度達到0.003%，完全滿足精度要求[5]。

DA 輸出選用TP2262 高精度運算放大器，第一級為電壓跟隨器，第二級將電壓放大3.3 倍，最大輸出電壓設置為10 V。輸出端采用瞬態電壓抑制（Transient Voltage Suppressor，TVS）管，以限制輸出電壓，保護外部設備。

6 關鍵軟件控制邏輯設計

6.1 整體軟件流程

軟件流程如圖2 所示。系統采集到外部啟動信號或單片機內部定時控制啟動信號后，啟動空壓機。

圖2 軟件控制流程

通過控制器采集儲氣罐壓強及遠程節點壓強數據并進行計算，執行PID 運算，將運算結果（電壓幅值）輸出至變頻器模擬量輸入端，調節變頻器頻率輸出，改變電動機轉速，達到調節氣體輸出量的作用。同時，根據PID 計算結果，通過Modbus 通信協議，控制工頻空壓機的啟動、停止、加載、卸載。本系統具有5 組定時控制功能，通過按周定時控制，在規定的時間內自動啟動、關閉空壓機，減少人工開關機操作。4G 模塊連接至云服務器，通信采用MQTT 通信方式，使各控制器可以向云服務器訂閱、發布相關數據。上位機軟件通過云服務器，可以監控、控制空壓站內的設備動作。主控制器處理整個空壓站的信號，將數據顯示在觸摸屏上，并發布相關數據至MQTT 服務器。通過觸摸屏，可設定相關參數及控制設備動作。

6.2 PID 控制邏輯

圖3 為空壓機PID 控制流程圖，空壓機啟動后進入PID 運算并執行輸出，以儲氣罐的壓強作為PID 的過程量，以各末端節點壓強作為PID 的過程參考量（以不同節點的壓強進行比例分配），采用增量PID 控制模型執行PID 計算。

圖3 PID 控制流程

在“執行多機聯動流程”過程中，若2 臺空壓機運行10 min 后，氣壓仍未達到目標值，就需要再啟動1 臺工頻空壓機。空壓機不能長時間卸載，必須間接性加、卸載。當壓強長期超過目標值40 kPa，卸載5 min 后，若實際壓強仍超過目標值，就需要關閉1 臺工頻機；若實際壓強降至目標值以下，則必須重新加載空壓機，防止空壓機因卸載時間過長導致的壓縮機潤滑不足，影響空壓機部件的壽命。

7 節能效果分析

目前，空壓站節能變頻改造已完成。變頻改造前后的對比如表2 所示。通過實測發現，改造后的空壓站能節省28%的電量，節能效果明顯。改造時采購了控制系統硬件、1 臺110 kW 海利普SK-190 變頻器及相關輔助配件，費用約10 萬元，1 年內可回本。同時，改造后的空壓站能實現壓縮空氣恒壓供氣，減少壓縮空氣壓強波動，降低空壓機最高運行壓強，延長設備密封件等部件的使用壽命。

表2 變頻改造前后對比表

8 結語

通過對比改造前后的數據可以得出，改造后的空壓站節能效果非常明顯，改造費用低，同時主控制器性能穩定、擴展性強、可以作為標準空壓機節能控制器，形成產品。市面上存在大量工頻空壓機，絕大部分設備都帶有RS-485 通信接口。通過修改通信程序，節能控制系統可適配不同品牌、不同功率的工頻空壓機。工頻空壓機的變頻改造，會節省大量電能，極具推廣應用價值。