基于PLC 的空壓機排氣壓力控制系統的設計與改進

羅建偉

（唐山唐鋼氣體有限公司， 河北 唐山 063000）

0 引言

空壓機由壓縮機、電動機和齒輪等部分構成，運行時要求空壓機恒速運行[1]。但隨著季節的變化，由于溫差和濕度不同，給空壓機的控制帶來一定的難度。空壓機運行時主要有三種狀態，分別是卸載狀態、調節狀態和自動雙式。卸載狀態用于空壓機停機前、啟動后加載前和無風需求時，此時放空閥全開而進氣閥最小開度，使得轉子穩定運行，大量空氣能夠進入空壓機[2-3]。調節狀態是空壓機最常見的狀態，通過調節放空閥和入口閥，使空壓機出口壓力保持恒定[4]。自動雙式是卸載狀態和調節狀態的結合，通過判斷外界需求，選擇其中一種運行方式。

1 空壓機控制回路

空壓機控制回路包括負荷控制、防喘振控制和狀態檢測三部分。負荷控制包括加載過程控制和加載成功后控制，加載過程是由卸載狀態到恒轉速的過程，當控制系統接到加載指令后，對實際壓力和給定壓力進行比較，若給定壓力大于實際壓力，入口閥加大電流逐漸上升，直至壓力值達到給定值，進入恒壓狀態。加載成功后，為了保持空壓機排氣壓力恒定，需要根據空壓機的實際運行情況，調節放口閥和入口閥的開口，即對控制系統進行調節。

當空壓機入口閥的空氣流量小于空壓機最小穩定流量時，空壓機會出現喘振現象，這是離心式空壓機的固有反常問題。防喘振控制是空壓機重要的控制部分，是解決空壓機不穩定狀態的重要措施。通常采用的防喘振措施有設置電流下限防喘振和提高系統預設壓力。

狀態檢測是針對空壓機溫度而言的，由于空壓機轉速很高且進入空壓機氣體的密度遠小于液體的密度，因此，空壓機內潤滑油的溫度相對也較高。狀態檢測在實際運行過程中，若出口溫度超過預設溫度，則需要停機檢查空壓機散熱冷卻器性能。

2 空壓機控制系統設計

空壓機排氣壓力控制系統設計框圖如圖1 所示。控制系統由PLC 控制器及擴展模塊、上位機、電控裝置、變頻器、空壓機和風包構成。空壓機運行過程中，PLC 控制器對空壓機電控裝置和變頻器的參數進行采樣，并對空壓機變頻器起停頻率進行控制，以完成空壓機啟動過程的控制。同時，為了滿足空壓機排氣壓力恒定，在出口閥加裝壓力傳感器，將監測到的壓力值返回PLC 控制系統，根據變化實時進行調整控制。此外，上位機是為了方便觀測空壓機運行狀態的重要裝置，通過總線通信模式，將故障、運行狀態傳遞至上位機并顯示。

圖1 空壓機排氣壓力控制系統

2.1 硬件設計

本文所提空壓機排氣壓力控制系統采用西門子S7-200 系列PLC，根據空壓機排氣壓力控制系統功能對PLC 控制系統的I/O 地址進行分配，如表1 所示。

表1 空壓機控制系統I/O 地址分配表

空壓機排氣壓力控制系統變頻器采用矢量控制技術，其運行穩定性較強，可以長期可靠應用于空壓機控制系統。空壓機出口閥排氣壓力要求恒定0.2 MPa，且當排氣壓力超過0.75 時，空壓機必須停機檢修。因此，空壓機控制系統的壓力傳感器選型至關重要。本文選取MB420 壓力傳感器，具有零點漂移修正功能、斷電保護功能，可以獲得穩定可靠的數據。壓力傳感器輸出5～20 mA 的電流信號，電流信號使用傳統的二線制傳輸方式進行傳輸。此外，由于空壓機長期運行，導致潤滑劑溫度較高，選用溫度傳感器ZSBWR，測量范圍為0～1 800 ℃，滿足溫度測量需求。

2.2 軟件設計

為了使空壓機排氣壓力恒定，使用PLC 對出口排氣壓力進行PID 模糊控制，其主要思路為通過壓力傳感器對出口排氣壓力進行檢測采樣，反饋至PLC模糊控制輸入端，將控制系統的給定壓力和采樣信號進行比較，并輸入至PID 模糊控制器進行調節。

空壓機排氣壓力控制系統PLC 軟件流程如圖2所示，可以看出，基于PLC 的空壓機排氣壓力控制系統采用模塊化編程，根據不同控制功能對PLC 的編程進行劃分，主要分為：初始化程序、采樣程序、故障報警程序、PID 模糊控制程序和變頻調速壓力控制程序，其中，PID 模糊控制程序用來調節運行狀態。

圖2 空壓機排氣壓力控制系統PLC 軟件流程

PID 壓力模糊控制系統框圖如圖3 所示，當PID模糊控制完成后，PLC 根據實際輸出結果，實時調節空壓機系統的變頻器輸出頻率，通過對空壓機系統的電動機轉速進行調節，最終達到調節空壓機排氣壓力恒定的目的。同時，為了使空壓機排氣壓力控制系統運行穩定，在PLC 軟件設計時，需要對壓力傳感器、變頻器和電動機等重要設備增設報警功能，當發生嚴重故障時，要停機檢修，防止安全事故發生。

圖3 基于PLC 的PID 壓力模糊控制系統

3 應用效果分析

3.1 效果分析

為了驗證本文所設計的空壓機排氣壓力控制系統符合預期要求，將本文所提出的基于PLC 的空壓機排氣壓力控制系統應用于實際工程實踐。某煤礦使用的MLG30/8-200G 型空壓機組，已穩定運行2 a。當前，空壓機組及其控制系統運行穩定，能實現對各類信號的采樣和處理，較好地控制了空壓機排氣壓力保持恒定。同時，配合空壓機的故障監測和預警功能，空壓機能夠安全穩定運行，減少了事故發生的概率。

3.2 經濟性分析

為了進一步分析基于PLC 的空壓機排氣壓力控制系統的應用效果，對其進行經濟性分析。

1）節約耗電量。應用本文所設計的基于PLC 空壓機排氣壓力控制系統，可以實現空壓機運行系統進一步智能化，避免空壓機長時間無效空載運行，減少耗電量，節電率達到10.1%。通過統計和計算，每年可以節約電量181.5 MW·h，節省電費約10.1 萬元。

2）節約人工成本。應用基于PLC 的空壓機壓力控制系統，空壓機組智能化水平得到提升，不再設置空壓機組的固定監測崗位，相比未應用此控制系統前，每班可以減少4 個工作人員，按照每人8 000 元/月計算，每年可以節省約38.4 萬元。

3）節約維修及配件費用。對比傳統的控制系統，基于PLC 的空壓機排氣壓力控制系統實現空壓機系統穩定運行，使用壽命有較大提高，每年可節省設備維修費約3 萬元，零件購買費每年可節省5 萬元。

基于PLC 的空壓機排氣壓力控制系統具有良好的經濟效益，每年可節省費用6.5 萬元左右。

4 結論

本文針對空壓機排氣壓力控制系統運行穩定性較差的問題，提出一種基于PLC 的空壓機排氣壓力控制系統。對空壓機的工作原理進行分析，根據運行需求，設計了控制系統的硬件部分和軟件部分。將控制系統應用于實際工程實踐，應用效果理想，可以實現控制系統的穩定運行，同時，具有良好的經濟效益，每年可節省費用6.5 萬元左右。