羅建偉

（唐山唐鋼氣體有限公司， 河北 唐山 063000）

0 引言

空壓機(jī)由壓縮機(jī)、電動(dòng)機(jī)和齒輪等部分構(gòu)成，運(yùn)行時(shí)要求空壓機(jī)恒速運(yùn)行[1]。但隨著季節(jié)的變化，由于溫差和濕度不同，給空壓機(jī)的控制帶來一定的難度?？諌簷C(jī)運(yùn)行時(shí)主要有三種狀態(tài)，分別是卸載狀態(tài)、調(diào)節(jié)狀態(tài)和自動(dòng)雙式。卸載狀態(tài)用于空壓機(jī)停機(jī)前、啟動(dòng)后加載前和無風(fēng)需求時(shí)，此時(shí)放空閥全開而進(jìn)氣閥最小開度，使得轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)行，大量空氣能夠進(jìn)入空壓機(jī)[2-3]。調(diào)節(jié)狀態(tài)是空壓機(jī)最常見的狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)放空閥和入口閥，使空壓機(jī)出口壓力保持恒定[4]。自動(dòng)雙式是卸載狀態(tài)和調(diào)節(jié)狀態(tài)的結(jié)合，通過判斷外界需求，選擇其中一種運(yùn)行方式。

1 空壓機(jī)控制回路

空壓機(jī)控制回路包括負(fù)荷控制、防喘振控制和狀態(tài)檢測(cè)三部分。負(fù)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(tài)到恒轉(zhuǎn)速的過程，當(dāng)控制系統(tǒng)接到加載指令后，對(duì)實(shí)際壓力和給定壓力進(jìn)行比較，若給定壓力大于實(shí)際壓力，入口閥加大電流逐漸上升，直至壓力值達(dá)到給定值，進(jìn)入恒壓狀態(tài)。加載成功后，為了保持空壓機(jī)排氣壓力恒定，需要根據(jù)空壓機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，調(diào)節(jié)放口閥和入口閥的開口，即對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

當(dāng)空壓機(jī)入口閥的空氣流量小于空壓機(jī)最小穩(wěn)定流量時(shí)，空壓機(jī)會(huì)出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，這是離心式空壓機(jī)的固有反常問題。防喘振控制是空壓機(jī)重要的控制部分，是解決空壓機(jī)不穩(wěn)定狀態(tài)的重要措施。通常采用的防喘振措施有設(shè)置電流下限防喘振和提高系統(tǒng)預(yù)設(shè)壓力。

狀態(tài)檢測(cè)是針對(duì)空壓機(jī)溫度而言的，由于空壓機(jī)轉(zhuǎn)速很高且進(jìn)入空壓機(jī)氣體的密度遠(yuǎn)小于液體的密度，因此，空壓機(jī)內(nèi)潤(rùn)滑油的溫度相對(duì)也較高。狀態(tài)檢測(cè)在實(shí)際運(yùn)行過程中，若出口溫度超過預(yù)設(shè)溫度，則需要停機(jī)檢查空壓機(jī)散熱冷卻器性能。

2 空壓機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空壓機(jī)排氣壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示?？刂葡到y(tǒng)由PLC 控制器及擴(kuò)展模塊、上位機(jī)、電控裝置、變頻器、空壓機(jī)和風(fēng)包構(gòu)成。空壓機(jī)運(yùn)行過程中，PLC 控制器對(duì)空壓機(jī)電控裝置和變頻器的參數(shù)進(jìn)行采樣，并對(duì)空壓機(jī)變頻器起停頻率進(jìn)行控制，以完成空壓機(jī)啟動(dòng)過程的控制。同時(shí)，為了滿足空壓機(jī)排氣壓力恒定，在出口閥加裝壓力傳感器，將監(jiān)測(cè)到的壓力值返回PLC 控制系統(tǒng)，根據(jù)變化實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整控制。此外，上位機(jī)是為了方便觀測(cè)空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的重要裝置，通過總線通信模式，將故障、運(yùn)行狀態(tài)傳遞至上位機(jī)并顯示。

圖1 空壓機(jī)排氣壓力控制系統(tǒng)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本文所提空壓機(jī)排氣壓力控制系統(tǒng)采用西門子S7-200 系列PLC，根據(jù)空壓機(jī)排氣壓力控制系統(tǒng)功能對(duì)PLC 控制系統(tǒng)的I/O 地址進(jìn)行分配，如表1 所示。

表1 空壓機(jī)控制系統(tǒng)I/O 地址分配表

空壓機(jī)排氣壓力控制系統(tǒng)變頻器采用矢量控制技術(shù)，其運(yùn)行穩(wěn)定性較強(qiáng)，可以長(zhǎng)期可靠應(yīng)用于空壓機(jī)控制系統(tǒng)。空壓機(jī)出口閥排氣壓力要求恒定0.2 MPa，且當(dāng)排氣壓力超過0.75 時(shí)，空壓機(jī)必須停機(jī)檢修。因此，空壓機(jī)控制系統(tǒng)的壓力傳感器選型至關(guān)重要。本文選取MB420 壓力傳感器，具有零點(diǎn)漂移修正功能、斷電保護(hù)功能，可以獲得穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)。壓力傳感器輸出5～20 mA 的電流信號(hào)，電流信號(hào)使用傳統(tǒng)的二線制傳輸方式進(jìn)行傳輸。此外，由于空壓機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行，導(dǎo)致潤(rùn)滑劑溫度較高，選用溫度傳感器ZSBWR，測(cè)量范圍為0～1 800 ℃，滿足溫度測(cè)量需求。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

為了使空壓機(jī)排氣壓力恒定，使用PLC 對(duì)出口排氣壓力進(jìn)行PID 模糊控制，其主要思路為通過壓力傳感器對(duì)出口排氣壓力進(jìn)行檢測(cè)采樣，反饋至PLC模糊控制輸入端，將控制系統(tǒng)的給定壓力和采樣信號(hào)進(jìn)行比較，并輸入至PID 模糊控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

空壓機(jī)排氣壓力控制系統(tǒng)PLC 軟件流程如圖2所示，可以看出，基于PLC 的空壓機(jī)排氣壓力控制系統(tǒng)采用模塊化編程，根據(jù)不同控制功能對(duì)PLC 的編程進(jìn)行劃分，主要分為：初始化程序、采樣程序、故障報(bào)警程序、PID 模糊控制程序和變頻調(diào)速壓力控制程序，其中，PID 模糊控制程序用來調(diào)節(jié)運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 空壓機(jī)排氣壓力控制系統(tǒng)PLC 軟件流程

PID 壓力模糊控制系統(tǒng)框圖如圖3 所示，當(dāng)PID模糊控制完成后，PLC 根據(jù)實(shí)際輸出結(jié)果，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)空壓機(jī)系統(tǒng)的變頻器輸出頻率，通過對(duì)空壓機(jī)系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終達(dá)到調(diào)節(jié)空壓機(jī)排氣壓力恒定的目的。同時(shí)，為了使空壓機(jī)排氣壓力控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，在PLC 軟件設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)壓力傳感器、變頻器和電動(dòng)機(jī)等重要設(shè)備增設(shè)報(bào)警功能，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，要停機(jī)檢修，防止安全事故發(fā)生。

圖3 基于PLC 的PID 壓力模糊控制系統(tǒng)

3 應(yīng)用效果分析

3.1 效果分析

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的空壓機(jī)排氣壓力控制系統(tǒng)符合預(yù)期要求，將本文所提出的基于PLC 的空壓機(jī)排氣壓力控制系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際工程實(shí)踐。某煤礦使用的MLG30/8-200G 型空壓機(jī)組，已穩(wěn)定運(yùn)行2 a。當(dāng)前，空壓機(jī)組及其控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能實(shí)現(xiàn)對(duì)各類信號(hào)的采樣和處理，較好地控制了空壓機(jī)排氣壓力保持恒定。同時(shí)，配合空壓機(jī)的故障監(jiān)測(cè)和預(yù)警功能，空壓機(jī)能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，減少了事故發(fā)生的概率。

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

為了進(jìn)一步分析基于PLC 的空壓機(jī)排氣壓力控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果，對(duì)其進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

1）節(jié)約耗電量。應(yīng)用本文所設(shè)計(jì)的基于PLC 空壓機(jī)排氣壓力控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)一步智能化，避免空壓機(jī)長(zhǎng)時(shí)間無效空載運(yùn)行，減少耗電量，節(jié)電率達(dá)到10.1%。通過統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，每年可以節(jié)約電量181.5 MW·h，節(jié)省電費(fèi)約10.1 萬元。

2）節(jié)約人工成本。應(yīng)用基于PLC 的空壓機(jī)壓力控制系統(tǒng)，空壓機(jī)組智能化水平得到提升，不再設(shè)置空壓機(jī)組的固定監(jiān)測(cè)崗位，相比未應(yīng)用此控制系統(tǒng)前，每班可以減少4 個(gè)工作人員，按照每人8 000 元/月計(jì)算，每年可以節(jié)省約38.4 萬元。

3）節(jié)約維修及配件費(fèi)用。對(duì)比傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，基于PLC 的空壓機(jī)排氣壓力控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，使用壽命有較大提高，每年可節(jié)省設(shè)備維修費(fèi)約3 萬元，零件購買費(fèi)每年可節(jié)省5 萬元。

基于PLC 的空壓機(jī)排氣壓力控制系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，每年可節(jié)省費(fèi)用6.5 萬元左右。

4 結(jié)論

本文針對(duì)空壓機(jī)排氣壓力控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性較差的問題，提出一種基于PLC 的空壓機(jī)排氣壓力控制系統(tǒng)。對(duì)空壓機(jī)的工作原理進(jìn)行分析，根據(jù)運(yùn)行需求，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分。將控制系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際工程實(shí)踐，應(yīng)用效果理想，可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，每年可節(jié)省費(fèi)用6.5 萬元左右。