浅谈动力设备压缩空气系统的集成控制

魏广敬 辛庚嘉 唐子文 王继收

摘要：冶金行业是讲究高效率的高耗能行业，在冶金过程中能源介质稳定、安全的供应是保证正常生产的必要条件。能源管控中的动力体系主要负责为全厂提供水、电、气、汽等，本课题以压缩空气系统为研究对象，面对冶炼工艺对压缩空气稳定性要求，系统实现了压缩空气的压力自动调节、设备自动启停、循环周期等关键技术参数的设置、控制与监控，使整个压缩空气系统的工艺要求、技术参数均可由生产调度下传到现场设备，同时也可将生产过程数据、设备状态提交管理层，从而实现生产工序实时监控和管理，提高压缩空气系统生产效率、自动化程度对于能源管控意义重大。

关键词：铜冶炼;动力设备;压缩空气系统;集成控制

1 集成控制的特点及研究内容

动力车间压缩空气系统包含设备较多、信号繁杂，所以在实际生产过程中，仅仅依靠人员监控众多工艺参数的变化，绝对不可能做到压缩空气系统的正常运行，必须通过有效的智能监控系统才能使空气压缩系统安全、稳定为全厂供应压缩空气。通过选定压缩空气设备、现场控制系统设备及与调度室监控设备，然后进行编程设计，最终实现压缩空气系统的压力自动调节、设备自动启停、循环周期等关键工艺要求，使整个压缩空气系统的工艺要求、技术参数均可由生产调度下传到现场设备，同时也可将生产过程数据、设备状态提交管理层，从而实现生产工序实时监控和管理。

2 动力中心压缩空气系统简介

2.1压缩空气系统简介

压缩空气系统是指由供气端至用气端的设备及管道的总称。主要由压缩机、电动机、预旋器、压力开关、单向阀、储气罐、自动排水器、安全阀等组成，但由于单机控制，现场装机量较多，日常巡检无法做到实时管控调配，亟需优化！

目前动力中心由0.85MPa和1.4MPa两种压缩空气系统，0.85MPa压缩空气系统配置有离心空压机5台，干燥机2台。一方面由空压机排气经过干燥机后直接进入干燥气管网，提供干燥压缩空气，另一方面排气经过干燥机后通过压缩气储罐进入仪表气管网，提供仪表压缩空气。1.4MPa压缩气系统配置有螺杆空压机2台，干燥机2台。其经过干燥机后送入管网，为用户提供干燥压缩空气;另有一台螺杆机为事故应急，停电等突发事件中确保1.4Mpa仪表气供应。

2.2 两种空气压缩机的机械原理及特点

离心式空气压缩机的结构特点：离心式空气压缩机组结构简单，运行可靠;离心式空气压缩机主要构件、空气动力部分、级间冷却器、整体传动装置、润滑系统和操作控件的制造都能够保证提供可靠的性能;在压缩空气气道中，离心式空气压缩机没有任何需润滑部件;离心式空气压缩机精确平衡的挠性碟片式联轴器，将振动降至最低，并且不需要联接器润滑油，也可以提供其他联接方法;离心式空气压缩机紧凑的成套底座，将框架、中间冷却器和润滑油箱集成在一起，从而具有出色的扭转刚度。

螺杆式空气压缩机采用高容量压縮组件，其转子外圆速度低而且达到最佳注油，实现了高效率、高可靠性。通过高效传动系统以适合用途的最佳速度驱动压缩组件。正常操作期间完全无需维护。具有免维护、高度可靠和高效率的优点。

3控制系统的软件设计

3.1 压缩空气系统的设计方法

把压力作为控制对象，压力变送器将储气罐的压力转变为电信号送给PID智能调节器，与压力设定值作比较，并根据差值的大小按既定的PID控制模式进行运算，产生控制信号送变频调速器，通过变频器控制电机的工作频率与转速，从而使实际压力P始终接近设定压力。以离心式空气压缩机为例，现场控制系统以开关量输入为主，输入输出总点数小于16，又因为继电器输出模块具有价格低，使用电压范围广等特点，故选用继电器输出模块。综合以上及该控制系统的设计要求可知该系统采用8点输入、8点输出、继电器输出的西门子公司的S7-300PLC即可满足要求。

3.2 控制系统程序框架

在空压机运行过程中，根据生产实际要求实时调节出气口压力，在用户使用气流量不大时，空压机应该减小负载，使贮气罐中的压缩空气压力维持在稳定水平，在用户使用压缩空气流量突然增加的时候，空压机应该能够加大负载，以保证用户的需求。现场控制级核心即处理器Logix5550通过网络直接控制电磁阀、主电机、自动排水阀、进气叶轮等电机和相应的执行机构来压缩空气，是整个控制部分的底层处理模块。具体程序是根据生产工艺结合机械设备来编制的，它主要负责控制电气设备的运行，需要将生产设备进行输入输出定义，并分别对各个工作站的I/O模块进行分配。

3.4故障信息反馈

压缩空气系统的控制系统是非常复杂的系统，运行中难免产生各种电气故障，需要现场操作人员快速解决，这样报警信息必须要完善。报警信息分为多种，包括系统报警、温度报警、动作条件不满足报警等，必须将所应用的控制系统包括ControlLogix系统、伺服系统、变频器、工作站等进行归类和提取，以第一时间显示在调度室的监控画面里。

3.5总体验证

整个控制系统的软件设计分为两部分，一部分是下位机对空压机整个生产过程的控制和数据传输程序，另一部分是下位机与上位机进行通信的通讯软件。软件采用模块化设计，按整体功能分成多个的模块，单独设计、编程、调试，然后将各模块装配联调，组成完整的软件。根据压缩空气生产的工艺需要，控制系统的软件设计满足：1.控制系统软件应能完成对空压机整个生产过程的控制，包括对控制面板、限位开关等开关量信号进行检测，输出能够准确可靠的控制电机，电磁阀的启停。2.控制系统软件应能完成上＼下位机的通讯，采集下位机的信号实现，产量统计打印报表等管理功能。设备的程序控制方式实现循环（自动）、手动、维护三种操作方式。

结论

采用ControlLogix PLC设备，对动力车间空气压缩系统进行DCS系统控制，对压缩空气系统中包含的设备的各个参数实时数据进行采集，实时数据通过变送器将4～20mA的模拟量送出，系统通过运算将模拟量转化为数字量显示在监控画面上。采用DCS控制压缩空气系统，大幅减少了设备管控成本，提高了系统的可靠性，同时也节省了控制机柜的空间。提高了实际生产中设备的操作性能，在维护阶段有出众的诊断性能，减少了停机时间。全面提升了动力压缩空气系统设备的管理管控水平。

参考文献

[1]钱晓龙，赵强，李成.ControlLogix系统组态与编程——现代控制工程设计[M].机械工业出版社.2013

[2]胡小飞.面向空气压缩机的数据采集系统的研究与开发[D].上海工程技术大学.