中色科技空压机联控系统设计

沈艳河，李文艺，王延波

中色科技空压机联控系统设计

沈艳河1，李文艺2，王延波3

（1.黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004；2.宿州学院 机械与电子工程学院，安徽 宿州 234000；3.中色科技股份有限公司，河南 洛阳 471039）

对中色科技股份有限公司两台空压机进行联控设计。其设计方案为：对空压机进行变频改造；通过RS-485总线把两台空压机、变频器和主控PLC联网；进行联控算法设计。同时，对空压系统的主管道压力和空压机运行状态进行实时监控。实践证明，该设计实现了两台空压机根据用气负荷的变化自动连续调整输出气量，达到了稳压、降耗的目的。

空压机联控；变频化改造；联控算法；实时监控

0 引言

中色科技股份有限公司成套部 （下文简称成套部）空压站的2台阿特拉斯GA55型空压机独立运行。在生产过程中，白班，两台空压机全部开启；夜班和节假日，一台空压机开启，另外一台空压机关闭。空压机的启停控制以及空压机运行时间的均衡控制都是由工作人员现场操作控制。该控制方式存在以下问题：（1）经常出现两台空压机同时启停，使得空压系统压力波动大，并对电力变压器造成很大的冲击。（2）空压机主电机工作在工频转速状态，输出气量不能根据用气负荷的变化连续调整，导致空压系统压力在设定的上下限压力之间做大范围波动。（3）白班用气负荷小时，一台空压机大部分时间工作在轻载状态，导致电能的大量浪费，而在夜班和节假日用气负荷大时，一台空压机不能维持需要的压力，造成系统压力过低，影响正常生产和设备运行。（4）时有因为疏忽忘记开启或关闭一台空压机的现象发生。

为了解决这些问题，需对空压系统进行自动化改造，具体方案为：（1）对两台空压机进行变频化改造，使两台空压机都能工作在定频状态和变频运行状态；（2）对两台空压机进行联控算法设计，使两台空压机不仅能够实现独立运行控制，还能实现自动协调运行控制，在系统稳压的同时，达到降低能耗的目的；（3）使用组态王对空压机运行状态和关键参数进行实时监控和显示，提高系统的可靠性。

1 空压机联控系统的要求和构成

1.1 系统要求

（1）在保证提供压力稳定、品质合格的压缩空气的前提下，空压机能够根据负荷用气的变化连续调整输出压缩空气量，提高系统压力的稳定性。（2）空压机工作在高效的满载或变频工作状态，提高设备效率，降低能耗。（3）系统能够按照设计好的控制方案自动运行，在实现联控的基础上，保证两台空压机运行时间均衡，使整个机组时刻保持在最佳工况。（4）系统能够对空压系统的主要参量进行实时监控，发生故障时，进行报警。（5）系统能对空压机的维护和保养提供帮助。

1.2 系统构成

空压机联控系统主要由空压机、变频器、RS-485通信网络、PLC、主机和相应软件构成。空压机联控系统设计主要涉及空压机变频化改造和系统组网两方面的工作。

2 控制系统硬件结构

联控系统硬件结构如图1所示。空压机联控系统通过RS-485总线把2台空压机、变频器、PLC及主机连成RS-485网络，空压机外的电磁阀、继电器和传感器等部件通过PLC的I／O口进行信息交换。

2.1 空压机变频改造

在空压系统中，供气压力是系统各种运行状态改变与保持的唯一指标［1］。满足稳定的气源压力，自动调节供气流量是空压站自动控制系统的基本任务。由于用气负荷不断变化，空压机只有根据用气负荷的变化对输出气量进行实时调整，才能达到稳压的目的。

图1 两台空压机联控系统硬件连接结构图Fig.1 Two air com pressors combine-controlled system hardware structure

阿特拉斯GA55型空压机主电机是在恒转矩状态下运行的，空压机排气量Q与电机转速n成正比［2］。因此，要想使空压系统能够适应负荷变化，保持供气压力稳定、满足气量需求，就要求空压机能够连续地对转速进行调节。本设计选择对定频空压机进行变频化改造，具体设计方案是：一台变频器控制一台空压机工作在变频状态，另一台空压机始终运行在全载或是停机状态 （定频运行的压缩机在这两个状态时能效最高）。变频运行的空压机作为调节用气，以适应生产实际用气的变化。保证供气压力的稳定，大大提高空压机的工作效率和性能。空压机启动时，还可以减弱对电网及设备的冲击，延长设备使用寿命［1］。

2.2 空压机组网设计

RS-485接口是空压机和大多数工控设备常用的接口。RS-485网络最大支持128个节点，满足空压系统技术要求。空压机控制主要是逻辑控制，对实时性要求并不高，RS-485总线的传输速率即可以满足空压机的实时性要求，并且硬件成本要远小于CAN总线。基于上述理由，该设计采用RS-485总线连接各设备，系统组网连线如图2所示。

2.3 主控部件选择

空压机联控系统输入、输出设备少，控制策略简单，实时性要求不高。目前，市场主流的小型PLC都能满足需求。本设计选择三菱FX2N系列小型PLC作为联控系统的核心控制部件。三菱FX2N系列小型PLC本身没有RS-485接口，当PLC与2台空压机及变频器进行通信时，需要通过FX2N-485BD模块进行转换。当PLC与主机电脑进行通信时，需要通过FX-485PC-IF模块转接，然后接到主机RS-232-C的接口上，如图2所示。

图2 联控系统组网连线图Fig.2 Combine-controlled system network

3 软件及系统界面设计

3.1 空压机联控策略设计

两台空压机的联控采用时间控制模式，即两台空压机每隔一段时间就按工频、变频运行模式自动交换一次，保证两台空压机的运行时间基本均衡。在系统运行过程中，定频运行空压机工作在停机或者全载状态，变频运行空压机根据用气负荷的变化实时调整输出气量。为了减小空压机启动时对厂内变压器造成的冲击，两台空压机均采用变频自动启动，控制策略如图3所示。为了提高系统的可靠性，系统既能对两台空压机实现自动联控，又能通过手动控制模式控制两台空压机单独启停［3］。

3.2 监控画面设计

系统组态选用市场占有率比较高的国产组态软件组态王作为开发平台。主机监控画面有空压站操控画面、空压系统实时运行画面和报警及历史画面构成。空压系统实时运行画面如图4所示。在系统运行过程中，组态王能够对空压系统主管道压力、油位和保养数据等参数进行实时显示。系统还能够建立实时压力曲线、保存历史压力曲线，并能对报警事件进行查询和打印。另外，组态王通过实时监测系统压力变化，自动调整变频运行空压机主电机的转速，来调整输出气量，进而稳定系统压力。

图3 空压机联控运行关系图Fig.3 Air com pressor joint control operation

图4 空压系统实时运行状况图Fig.4 Air com pressor system real-time operation state

4 结语

空压机经联控改造，实现了空压站的无人自动化操作，使空压系统压力稳定性得到显著提高，能耗明显降低。两台空压机的协调运行控制保证两台空压机得到均衡使用，使设备始终保持在最佳状态，提高了系统的可靠性。同时，联控系统还能够为空压机的保养和检修提供帮助，提高了空压系统的管理水平。

［1］贾春苗.空压机专用变频器的研究、实现及性能测试［D］.厦门：厦门大学自动化系，2009.

［2］于海龙，石东东.基于PLC的空压机变频联控系统研究［J］.机械自动化与工程，2011（3）：144-145.

［3］王浩君.空压机联控系统设计［D］.武汉：湖北大学，2009.

[责任编辑 杨明庆]

On Design of Air Compressor Combine-controlled System of China Nonferrous M etals Processing Technology(CNPT)

SHEN Yan-he1,LIWen-yi2,WANG Yan-bo3
(1.Yellow River Conservancy Technical Institute,Kaifeng 475004,Henan,China; 2.Suzhou University,Suzhou 234000,Anhui,China; 3.China Nonferrous Metals Processing Technology Co.Ltd.,Luoyang 471039,Henan,China)

Two air compressors of CNPT have been taken the combine-controlled system design.The design schemes are as follows:First of all,makes the air compressor variable-frequency transformation，and then connects two air compressors,frequency changer and master control PLC in the same network via RS-485 bus,and finally designs the process combine-controlled algorithm.And main pipeline pressure and running status of air compressor system have been taken real time monitoring at the same time.Practice shows that this design has realized the two air compressor adjust the output volume automatically and continuously according to the variation of gas load and achieved the goal of voltage stabilization and consumption reduction.

Air compressor combine-controlled;variable-frequency transformation;combine-controlled algorithm;realtime monitoring

TP273

A

1008-486X（2015）03-0041-04

2015-05-19

黄河水利职业技术学院青年项目：空压机智能联控及故障诊断预警系统（2014QNKY020）。

沈艳河（1981-），男，河南周口人，讲师，硕士，主要从事高校机电控制技术教学与研究工作。