基于PLC 的空压机排气压力控制系统的设计与改进

罗建伟

（唐山唐钢气体有限公司， 河北 唐山 063000）

0 引言

空压机由压缩机、电动机和齿轮等部分构成，运行时要求空压机恒速运行[1]。但随着季节的变化，由于温差和湿度不同，给空压机的控制带来一定的难度。空压机运行时主要有三种状态，分别是卸载状态、调节状态和自动双式。卸载状态用于空压机停机前、启动后加载前和无风需求时，此时放空阀全开而进气阀最小开度，使得转子稳定运行，大量空气能够进入空压机[2-3]。调节状态是空压机最常见的状态，通过调节放空阀和入口阀，使空压机出口压力保持恒定[4]。自动双式是卸载状态和调节状态的结合，通过判断外界需求，选择其中一种运行方式。

1 空压机控制回路

空压机控制回路包括负荷控制、防喘振控制和状态检测三部分。负荷控制包括加载过程控制和加载成功后控制，加载过程是由卸载状态到恒转速的过程，当控制系统接到加载指令后，对实际压力和给定压力进行比较，若给定压力大于实际压力，入口阀加大电流逐渐上升，直至压力值达到给定值，进入恒压状态。加载成功后，为了保持空压机排气压力恒定，需要根据空压机的实际运行情况，调节放口阀和入口阀的开口，即对控制系统进行调节。

当空压机入口阀的空气流量小于空压机最小稳定流量时，空压机会出现喘振现象，这是离心式空压机的固有反常问题。防喘振控制是空压机重要的控制部分，是解决空压机不稳定状态的重要措施。通常采用的防喘振措施有设置电流下限防喘振和提高系统预设压力。

状态检测是针对空压机温度而言的，由于空压机转速很高且进入空压机气体的密度远小于液体的密度，因此，空压机内润滑油的温度相对也较高。状态检测在实际运行过程中，若出口温度超过预设温度，则需要停机检查空压机散热冷却器性能。

2 空压机控制系统设计

空压机排气压力控制系统设计框图如图1 所示。控制系统由PLC 控制器及扩展模块、上位机、电控装置、变频器、空压机和风包构成。空压机运行过程中，PLC 控制器对空压机电控装置和变频器的参数进行采样，并对空压机变频器起停频率进行控制，以完成空压机启动过程的控制。同时，为了满足空压机排气压力恒定，在出口阀加装压力传感器，将监测到的压力值返回PLC 控制系统，根据变化实时进行调整控制。此外，上位机是为了方便观测空压机运行状态的重要装置，通过总线通信模式，将故障、运行状态传递至上位机并显示。

图1 空压机排气压力控制系统

2.1 硬件设计

本文所提空压机排气压力控制系统采用西门子S7-200 系列PLC，根据空压机排气压力控制系统功能对PLC 控制系统的I/O 地址进行分配，如表1 所示。

表1 空压机控制系统I/O 地址分配表

空压机排气压力控制系统变频器采用矢量控制技术，其运行稳定性较强，可以长期可靠应用于空压机控制系统。空压机出口阀排气压力要求恒定0.2 MPa，且当排气压力超过0.75 时，空压机必须停机检修。因此，空压机控制系统的压力传感器选型至关重要。本文选取MB420 压力传感器，具有零点漂移修正功能、断电保护功能，可以获得稳定可靠的数据。压力传感器输出5～20 mA 的电流信号，电流信号使用传统的二线制传输方式进行传输。此外，由于空压机长期运行，导致润滑剂温度较高，选用温度传感器ZSBWR，测量范围为0～1 800 ℃，满足温度测量需求。

2.2 软件设计

为了使空压机排气压力恒定，使用PLC 对出口排气压力进行PID 模糊控制，其主要思路为通过压力传感器对出口排气压力进行检测采样，反馈至PLC模糊控制输入端，将控制系统的给定压力和采样信号进行比较，并输入至PID 模糊控制器进行调节。

空压机排气压力控制系统PLC 软件流程如图2所示，可以看出，基于PLC 的空压机排气压力控制系统采用模块化编程，根据不同控制功能对PLC 的编程进行划分，主要分为：初始化程序、采样程序、故障报警程序、PID 模糊控制程序和变频调速压力控制程序，其中，PID 模糊控制程序用来调节运行状态。

图2 空压机排气压力控制系统PLC 软件流程

PID 压力模糊控制系统框图如图3 所示，当PID模糊控制完成后，PLC 根据实际输出结果，实时调节空压机系统的变频器输出频率，通过对空压机系统的电动机转速进行调节，最终达到调节空压机排气压力恒定的目的。同时，为了使空压机排气压力控制系统运行稳定，在PLC 软件设计时，需要对压力传感器、变频器和电动机等重要设备增设报警功能，当发生严重故障时，要停机检修，防止安全事故发生。

图3 基于PLC 的PID 压力模糊控制系统

3 应用效果分析

3.1 效果分析

为了验证本文所设计的空压机排气压力控制系统符合预期要求，将本文所提出的基于PLC 的空压机排气压力控制系统应用于实际工程实践。某煤矿使用的MLG30/8-200G 型空压机组，已稳定运行2 a。当前，空压机组及其控制系统运行稳定，能实现对各类信号的采样和处理，较好地控制了空压机排气压力保持恒定。同时，配合空压机的故障监测和预警功能，空压机能够安全稳定运行，减少了事故发生的概率。

3.2 经济性分析

为了进一步分析基于PLC 的空压机排气压力控制系统的应用效果，对其进行经济性分析。

1）节约耗电量。应用本文所设计的基于PLC 空压机排气压力控制系统，可以实现空压机运行系统进一步智能化，避免空压机长时间无效空载运行，减少耗电量，节电率达到10.1%。通过统计和计算，每年可以节约电量181.5 MW·h，节省电费约10.1 万元。

2）节约人工成本。应用基于PLC 的空压机压力控制系统，空压机组智能化水平得到提升，不再设置空压机组的固定监测岗位，相比未应用此控制系统前，每班可以减少4 个工作人员，按照每人8 000 元/月计算，每年可以节省约38.4 万元。

3）节约维修及配件费用。对比传统的控制系统，基于PLC 的空压机排气压力控制系统实现空压机系统稳定运行，使用寿命有较大提高，每年可节省设备维修费约3 万元，零件购买费每年可节省5 万元。

基于PLC 的空压机排气压力控制系统具有良好的经济效益，每年可节省费用6.5 万元左右。

4 结论

本文针对空压机排气压力控制系统运行稳定性较差的问题，提出一种基于PLC 的空压机排气压力控制系统。对空压机的工作原理进行分析，根据运行需求，设计了控制系统的硬件部分和软件部分。将控制系统应用于实际工程实践，应用效果理想，可以实现控制系统的稳定运行，同时，具有良好的经济效益，每年可节省费用6.5 万元左右。