基于PLC的模糊控制恒壓供氣系統(tǒng)的設(shè)計

桑巖青，韓 強

（東華大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 201620）

目前，在國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)中，對空壓站內(nèi)所有設(shè)備的控制方式均為人工控制、單機運行，設(shè)置空壓機運行參數(shù)時，需要到現(xiàn)場操作，同時，用氣車間對壓縮氣體的壓力值有所要求，由于不能根據(jù)現(xiàn)場的用氣量進(jìn)行空壓機的工作狀態(tài)控制，由此產(chǎn)生了壓縮氣體壓力不穩(wěn)定以及電能的極大浪費。因此，一套完善的空壓機自動控制系統(tǒng)不僅可以遠(yuǎn)程設(shè)置運行參數(shù)，使得操控人員的操控步驟簡單化，而且還會根據(jù)用氣車間的用氣量，控制空壓站內(nèi)空壓機的工作狀態(tài)以及相關(guān)時間參數(shù)，以保證壓縮氣體的壓力保持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)，從而達(dá)到恒壓控制、節(jié)能環(huán)保、節(jié)約人力資源的目的。

1 研究的空壓站簡介

某制管廠的空壓站內(nèi)，有6臺美國壽力TS32S-400NWC螺桿式空氣壓縮機、6臺冷干機以及水泵、冷卻塔等設(shè)備。計劃4臺空壓機常用，2臺備用。壓縮氣體的用途是給半成品的鋼塑管進(jìn)行噴砂處理。其中空壓機主要參數(shù)有公稱容積流量為57.1 m3/min，額定排氣壓力為0.8 MPa，最大排氣壓力為0.86 MPa，機組輸入比功率為 5.9 kW/（m3·min-1），電動機功率為300 kW，額定轉(zhuǎn)速為1489 r/min。

要保證用氣車間的正常工作，壓縮氣體的壓力必須保持在0.6.MPa以上，但是由于用氣車間有6條噴砂處理流水線，有時會部分工作，處理的管件尺寸不同，用氣量也不同，并且在噴砂完成更換下一批管件期間不需要用氣，因此，用氣車間的用氣量是不穩(wěn)定的，這也使得對空壓站內(nèi)設(shè)備的控制要求更高。

2 控制系統(tǒng)與控制方式

由于本空壓站涉及到的機器以及需要通訊的相關(guān)數(shù)據(jù)較多，因此考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性與控制的精確性，控制系統(tǒng)的CPU選擇西門子PLC-S7-300，I/O控制空壓機的啟動停止、加載卸載；通過Modbus-RTU通訊方式讀取空壓機狀態(tài)參數(shù)并且發(fā)送需要設(shè)置的參數(shù)；冷干機與水泵自身均以西門子PLC-200作為控制從站，與PLC-300之間通過Profibus進(jìn)行通訊，PLC-300給冷干機和水泵系統(tǒng)發(fā)送啟動與停止命令，給各空壓機發(fā)送啟動、停止、加載、卸載等命令。

本系統(tǒng)軟件設(shè)計過程借鑒軟件工程中慣用的結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法以提高編程效率。該系統(tǒng)由于控制邏輯復(fù)雜，程序循環(huán)中具有判斷和跳轉(zhuǎn)情況。針對這種情況為了提高軟件的邏輯性和程序的可讀性項目從需求分析階段概念設(shè)計階段程序編寫階段直至最終的調(diào)試驗收等過程都將強調(diào)程序的結(jié)構(gòu)性。通過前期規(guī)劃和項目分析最終將邏輯控制部分劃分為輸入輸出模塊、空壓機控制模塊、順序切換模塊、通訊模塊、報警模塊等部分。

控制模式分為手動模式和自動模式，手動模式下，由PLC發(fā)送啟動、停止命令到各個設(shè)備。自動模式時，程序按圖1所示流程編寫。啟動系統(tǒng)后，由于沒有空壓機啟動，需要用氣時，首先開啟1臺空壓機并加載，T1時間后，根據(jù)傳感器傳回的總管壓力值，與設(shè)定好的最低總管壓力值進(jìn)行比較，低于最低總管壓力值，則再開啟1臺，高于最低總管壓力且不高于最高總管壓力，則延時T2，然后與調(diào)節(jié)壓力作比較，若低于調(diào)節(jié)壓力，且此時沒有已經(jīng)啟動的空壓機，則啟動并且加載1臺，若高于調(diào)節(jié)壓力且低于最高壓力，則繼續(xù)延時T2，若高于最高壓力，則會卸載1臺，如此循環(huán)，卸載的空壓機達(dá)到卸載停機時間后將停機?？諌簷C的開啟順序根據(jù)所有空壓機的累計加載時間判斷，加載時間越短的空壓機優(yōu)先級越高，下次有啟動或加載信號時，將最先被啟動，由此保證了所有空壓機的運行加載時間均衡。

圖1 自動控制流程Fig.1 Automatic control flow chart

控制程序采用模塊化編程的思路，由1個主程序和若干個實現(xiàn)特定功能的子程序組成。主程序負(fù)責(zé)機組的啟?？刂?、加卸載運行時間的統(tǒng)計、數(shù)據(jù)定時存儲及對各個功能模塊（子程序）的調(diào)用[1]。

3 參數(shù)自整定的模糊控制模塊的設(shè)計

3.1 模糊控制器的結(jié)構(gòu)

由控制系統(tǒng)的邏輯流程可知，在整個循環(huán)的過程中，總管壓力（總管壓力傳感器安裝在儲氣罐出口處）是整個系統(tǒng)的參考變量，控制系統(tǒng)會根據(jù)總管壓力與設(shè)定值的比較來確定空壓機的工作狀態(tài)以及開啟數(shù)量，但是，時間參數(shù)T1和T2則影響著開啟（加載）或卸載下一臺的判斷時間，對于這2個時間值的確定，采用程序中編寫的模糊控制程序自動確定，以總管壓力的變化速率為依據(jù)，實時改變T1、T2的值來適應(yīng)變化的生產(chǎn)用氣量。

模糊控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。理論上，模糊控制所接收的控制信號是連續(xù)型的，但在工程上，模糊控制是由數(shù)字計算機來實現(xiàn)的，所以在實際應(yīng)用中采用的是一種離散型的模糊控制器，總管壓力反饋信號通過模擬量模塊轉(zhuǎn)換后再送入控制器[2]。

圖2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of fuzzy controller

圖3所示的控制器結(jié)構(gòu)由4部分組成：①規(guī)則庫。將專家語言所描述的成功控制經(jīng)驗進(jìn)行量化得到模糊控制規(guī)則；②推理機。模仿專家決策，對控制對象怎樣可以控制最好的知識做出解釋和應(yīng)用；③模糊化接口。模糊控制器的輸入接口，將控制器的輸入轉(zhuǎn)換成一種信息，使得推理機容易激活和應(yīng)用相關(guān)的規(guī)則[2]；④反模糊化接口。將推理結(jié)果轉(zhuǎn)換成過程或是控制對象的實際輸入。

該系統(tǒng)模糊控制器的功能根據(jù)實時的總管壓力變化速率，根據(jù)規(guī)則庫給出合適的時間參數(shù)，使系統(tǒng)響應(yīng)效率更高。程序中，每3 s采集1次總管壓力并與前一次采集的壓力作差，該壓差便可表示總管壓力變化速率，經(jīng)過長時間的實際運行調(diào)試后，將規(guī)則庫設(shè)計如表1所示。

表1 模糊控制器規(guī)則庫Tab.1 Fuzzy controller rule base

在整個程序運行時，模糊控制程序會根據(jù)壓力變化實時改變循環(huán)中的時間參數(shù)，從而改變響應(yīng)時間，從圖3可以看到，設(shè)置最低調(diào)節(jié)壓力為0.75MPa，最高壓力為0.78 MPa，不采用本控制器，時間參數(shù)固定設(shè)置為35 s與15 s時，輸出壓力曲線為圖3中的虛線，采用該控制器時，輸出壓力曲線為圖3中的實線，對比可發(fā)現(xiàn)，采用該模糊控制器時，輸出壓力更加穩(wěn)定且壓力值不會超過設(shè)置的范圍。

圖3 輸出壓力曲線對比Fig.3 Compare of the output pressure curve

3.2 模糊控制器與程序的完善

根據(jù)實際運行情況，對壓力變化與對應(yīng)的時間參數(shù)進(jìn)行調(diào)整修改，以保證調(diào)節(jié)精度達(dá)到最高，同時，由于用氣量車間用氣量不穩(wěn)定，因此有時啟動多臺空壓機，待壓力達(dá)到最高時，又卸載多臺，這樣的現(xiàn)象主要由于邊加載邊用氣，有時壓力上升緩慢，達(dá)到設(shè)定時間后，仍未達(dá)到最低壓力或調(diào)節(jié)壓力，則會繼續(xù)開啟或加載下一臺，壓力達(dá)到最高后，有機器卸載，如果壓力下降緩慢，達(dá)到設(shè)定時間后壓力仍未下降至最高壓力以下，因此會持續(xù)卸載正在運行的空壓機，由此產(chǎn)生了額外的電能浪費和機器損耗，因此，在邏輯流程中，加入壓差判斷條件，將總管壓力值每3 s做一次差，如圖4所示。無論從壓力最低開始啟動系統(tǒng)還是達(dá)到最高壓力判斷是否卸載時，均同時判斷總管壓力差。如壓力從最低開始，有1臺機器加載，經(jīng)過T1時間后，如此時壓力仍未超過最低壓力，但是壓差大于零，說明此時從管壓力已經(jīng)在上升，因此不會開啟下一臺，同時，配合模糊控制器，該情況下模糊控制器會將自動流程中的35 s與15 s適當(dāng)改變。這樣在原自動控制方式的前提下，又進(jìn)一步節(jié)省了電能消耗。

圖4 完善后系統(tǒng)流程Fig.4 Flow chart of system perfected

4 組態(tài)界面設(shè)計與能源監(jiān)測的實現(xiàn)

4.1 組態(tài)界面設(shè)計

一個良好的控制系統(tǒng)，配合友好的人機操作界面，才能達(dá)到理想的控制效果，因此，此控制系統(tǒng)配合西門子WinCC V7.0軟件進(jìn)行編程與組態(tài)，實現(xiàn)對各機器的控制以及相關(guān)參數(shù)的顯示。當(dāng)機器發(fā)生故障報警時，界面會顯示報警內(nèi)容，讓維修人員明確故障出現(xiàn)位置。每個工作日結(jié)束，可通過界面打印設(shè)備參數(shù)的日報表。便捷的數(shù)據(jù)查詢，可查看一年內(nèi)的機器運行數(shù)據(jù)。界面實時顯示每臺機器的用電總量，便于管理人員與投入預(yù)算進(jìn)行對比分析，了解節(jié)能情況。上位機主界面與空壓機控制界面如圖5所示。

圖5 上位機界面Fig.5 PC interface

4.2 能源監(jiān)測的實現(xiàn)

現(xiàn)場采集的空壓機電壓與電流趨勢如圖6所示。曲線1代表電壓值，曲線2代表電流值，可以觀察到，很小的一段時間內(nèi)，空壓機的電流和電壓不會出現(xiàn)明顯的變化，這說明空壓機在一定時間內(nèi)的狀態(tài)是穩(wěn)定的，因此，每隔1 s記錄一次電壓與電流的值，根據(jù)公式可以算出1s中該空壓機的電能消耗。

圖6 空壓機電壓與電流趨勢Fig.6 Compressor voltage and current trends

根據(jù)每臺空壓機的瞬時電壓與瞬時電流可算出空壓機的瞬時功率：

式中：U為空壓機的瞬時電壓，V；Ic為空壓機的瞬時電流，A；cosφ為功率因數(shù)，這里 cosφ=0.875。 則在t時間內(nèi)，取t=1 s，即 t=1/3600 h，空壓機的電能消耗為

則該空壓機的累計電能消耗為

由于每秒記錄1次，在上位機界面將記錄的電壓與電流值帶入公式計算出該秒的電能消耗，通過在程序中的累加程序，計算出該空壓機的當(dāng)前累計能耗，經(jīng)過實驗，每小時功耗在280～330 kW·h，與空壓機所給參數(shù)吻合。

現(xiàn)場配有6臺冷干機，因為壓縮氣體通往用氣車間前，先要通過冷干機過濾。未應(yīng)用此自動控制系統(tǒng)時，冷干機也需要人工控制，因此，不能及時控制冷干機開啟的數(shù)量，經(jīng)常會出現(xiàn)空壓機開啟較少臺而冷干機開啟較多臺的現(xiàn)象，而實際上，只要保證開啟的冷干機數(shù)量與開啟的空壓機數(shù)量相等即可，在沒有空壓機開啟時，則保證有1臺冷干機運行即可。在自動程序中，根據(jù)空壓機的運行反饋信號，計算出當(dāng)前開啟的空壓機臺數(shù)，根據(jù)設(shè)定的啟動順序給冷干機發(fā)送開啟命令，逐一啟動冷干機，保證冷干機開啟數(shù)量與空壓機相同，同時，開啟順序每周更換1次，6周為1個大周期，這樣就使得每臺冷干機的運行時間相近，使其使用時間均衡。這樣就從一定程度上節(jié)省了電能消耗。

5 節(jié)能效果分析

該廠用氣車間所需壓縮空氣的最低壓力為0.6 MPa。用氣車間的用氣量是不穩(wěn)定的，因此對空壓站機器的運行要求較高，如用氣量波動峰值為4臺機器同時工作，最低值為1臺機器工作，那么此時空壓站需要一直開啟4臺機器，出現(xiàn)大馬拉小車的情況而且自動化程度較低，本控制方式則是以總管壓力變化速率間接反映用氣車間的實時用氣量，并以此為依據(jù)，實時調(diào)節(jié)機器的運行狀態(tài)，同一時間內(nèi)，最多只有1臺機器為加卸載調(diào)節(jié)狀態(tài)，控制系統(tǒng)會根據(jù)當(dāng)前用氣量及時停掉空載運行的機器，使總管壓力保持穩(wěn)定的同時，達(dá)到節(jié)能的目的。應(yīng)用該系統(tǒng)后，最低壓力設(shè)置為0.64 MPa，調(diào)節(jié)壓力設(shè)置為0.66 MPa，最高壓力設(shè)置為0.78 MPa，總管壓力趨勢圖如圖7所示。

圖7 總管壓力趨勢Fig.7 Manifold pressure Trend

該控制系統(tǒng)可以滿足用氣車間的生產(chǎn)用氣需求，同時，可以根據(jù)用氣車間的用氣量變化確定應(yīng)該工作的空壓機與冷干機數(shù)量，使一定時間內(nèi)不工作的空壓機停機。根據(jù)整個系統(tǒng)運行的情況分析，如果每天用氣量最大的時候，需要開啟4臺空壓機，用氣量最小的時候，需要開啟1臺空壓機，那么，通過程序控制，平均每臺可以減少的工作時間為20%以上，該廠6臺空壓機1年的電費花銷在300萬元以上，由此節(jié)省了至少60萬元電費，同時還節(jié)省了大量的人工成本。

運行管理等因素都影響著空壓機的能耗情況，只有全面分析綜合考慮，選擇先進(jìn)的技術(shù)合理可行的方法和配套措施，才能確?？諌簷C節(jié)能穩(wěn)定安全的運行。工作人員要在應(yīng)用此控制系統(tǒng)的同時，認(rèn)真做好設(shè)備的日常運行管理和維護保養(yǎng)工作，在保障生產(chǎn)的基礎(chǔ)上節(jié)能減耗，以提高經(jīng)濟效益和社會效益。

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