西门子6ES368-3BB01-0AA0

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1 空压机的工作原理

螺杆式空压机的工作原理图如图1所示，空气经空气过滤器和吸气调节阀而吸入，该调节阀主要用于调节气缸、转子及滑片形成的压缩腔，阴、阳转子旋转相对于气缸里偏心方式运转。滑片安装在转子的槽中，并通过离心力将滑片推至气缸壁，的注油系统能够确保压缩机良好的冷却及润滑油的较小舒适耗量，在气缸壁上形成的一层薄薄的油膜可以防止金属部件之间直接接触而造成磨损。经压缩后的空气温度较高，其中混有一定的油气，经过油气分离器进行分离，之后，油气经过油冷却器冷却在经过油过滤器流回储油罐，空气经过气后冷却器 （空气冷却装置）进行冷却而进入储气罐。



2 空压机变频节能原理

螺杆式空压机基本运行方式是加载、减载方式。减载时电机空转,能源白白的浪费，如果利用变频器通过改变电机频率来调节转速，变频控制即通过改变电动机的转速来控制空压机单位时间的出风量，从而达到控制管路的压力，具有明显的节能效果。空压机变频节能系统原理图如图2所示。



原理如下：通过压力变送器测得的管网压力值与压力的设定值相比较，得到偏差，经PID调节器计算出变频器作用于异步电动机的频率值。由变频器输出的相应频率和幅值的交流电，在电动机上得到相应的转速。那么空压机输出对应的压缩空气输出至储气罐，使之压力变化，直到管网压力与给定压力值相同。


2.3变频改造注意事项

(1) 空压机是大转动惯量负载，这种启动特点很容易引起变频器在启动时出现跳过流保护的情况，建议采用具有高启动转矩的无速度矢量变频器，保证既能实现恒压供气的连续性，有可保设备可靠稳定的运行。

(2) 空压机不允许长时间在低频下运行，空压机转低，一方面使空压机稳定性变差，另一方面也使缸体润滑度变差，会加快磨损。所以工作下限应不低于20Hz。

(3) 建议功率选用比空压机功率大一等级的变频器，以免空压机启动出现频繁跳闸的情况。

(4) 为了有效的滤除变频器输出电流中的高次谐波分量，减少因高次谐波引起的电磁干扰，建议选用输出交流电抗器，还可以减少电机运行的噪音，提高电机的稳定性。

(5) 设计的系统应具备变频和工频两套控制回路，确保变频出现异常跳保护时，不影响生产。


3 基于PLC的空压机变频控制系统

3.1系统原理设计

控制系统由以下部分组成：变频器、可编程控制器、变频柜、电抗器、压力变送器、震荡传感器、接触器、空气开关、电缆、电流表、电压表、按钮、互感器等。

基于PLC的变频控制系统原理图如图3所示。PLC由触摸屏、电源、CPU、模拟量输出模块、开关量输入、输出模块等组成。其中采用PLC来实现电气部分的控制。包括五部分：起动、运行、停止、切换、报警及故障自诊断。

起动：以两台电机M1，M2为例，可以通过转换开关选择变频/工频启动。

运行：正常情况，电机M1处于变频调速状态，电动机M2处于停机状态。现场压力变送器管网出口压力，并与给定值比较，经PID指令运算，得到频率信号，动动调节转速达到所需压力。

停止：按下停止按钮，PLC控制所有的接触器断开，变频器停止工作。

切换：实现M1，M2工频、变频相互切换。

报警及故障自诊断：

空压机内部一般有四个需要监测的量：冷却水压力监测、润滑油监测、机体温度监测、储气罐压力监测。



3.2案例分析

以某厂房空压机为例。改造前经测试参数如下：电机功率110KW，出口压力为5.9~6.5MPa，运行时间为12小时/天，一年运行320天，加载时间为15秒，减载时间15秒；加载电流为190A，减载电流为90A。经检测其节电率为30%以上。年节电量（按30%）计算如下：

W节电量=12×320×110×30%=1.27×105（kWh）

可见节电效果明显，此外，改造后系统还存在其它优点。首先，减少了机器的噪音。利用PLC和变频器实现了机器的软启动、软停止，避免了空压机启动时对电网的冲击，减少了对设备的维修量。其次，两套控制回路可保证系统的正常、安全运行。最后，自动化程度高，克服原系统手动调节的缺点。

自动化系统控制的应用具有多面性，区别仅仅是需求不同而已。有一种特别的应用是对速度的挑战，比如螺栓紧固。在这里，通过模拟量来传递位置和扭矩的控制信号，并且进行实时的驱动控制。

Stöger 自动化公司, 位于慕尼黑的南部, 专注于螺栓紧固和装配系统的开发。他们较新的产品是用于螺栓紧固的**设备，这台新式的设备仅仅使用了一台马达进行驱动，并已经在今年的Automatica杂志进行了专门的报道。为了能够更好地对螺栓紧固设备进行可视化的控制，他们越来越多地开始采用Sigmatek的产品。“我们已经和Sigamtek合作了2年的时间。而且已经开始进行了一些联合的开发计划。我们希望在我们的产品中今后采用Sigamtek的产品为标准的控制系统。”公司的董事长兼总经理Lorenz Stöger先生如是说。
做出这样至关重要决定的一原因就是对高速度的需要。因为能够进行高速模拟测量值的采集和对马达的高速控制是评价螺栓紧固机械的良好标准。一般来说，完成每个螺栓操作的时间为0.8到1秒钟。减去定位的时间，那么剩下来的旋紧时间仅有0.5到0.6秒。因此，3个模拟参数：“距离”、“角度”和“扭矩”的测量时间就只有4到5ms了。这3个参数对于整个旋紧的过程来说是非常重要的，当开始旋入的时候需要尽可能地高速，而快达到所需的深度或者/以及达到了预设的旋紧扭矩的时候又需要缓慢地旋转并较终完成整个过程。

高速的总线连接了控制器和伺服驱动器
这样的高速度是通过转换时间仅需14µs的高速A/D转换模块来保，并且通过内部总线传输到伺服驱动器。同时，控制器和伺服驱动器也通过总线和外部的仪器进行连接。
在这里，较短的6 µs访问时间对于较终完成执行的时间来说变得至关重要，否则的话可能会让整个的系统反应时间达到数毫秒。以前的控制系统往往需要近100ms来获取信号，而无法将这个时间缩短到10ms的级别，尤其是当信号在没有预兆的情况下到来时，这就意味着在程序执行的时候可能没有办法处理这些信号。

一台Sigmatek的C-IPC工业控制计算机成为这套系统的处理单元，通过内置的端口和一排I/O模块相连接，这其中包括了一个获取模拟信号的模块。在这套方案中，模拟模块的准确性取决于控制系统的时钟精度。也就是说CPU(C-IPC)发送出系统时钟信号，而所有的I/O模块则在接收到之后进行自动同步。因此这些模块“知道”下一次的CPU脉冲信号会在什么时候到来，以及CPU会在什么时候发送和接收数据。所以在这个系统中的每一个模块都能保证在CPU需要的时间作好准备，并将所有的模拟信号都已经完全转换完毕。从而，所有外围设备发送到控制系统的信号实际延迟时间是零。所有这些发生的事情都是自动地进行处理的，而*在编程的时候去特别地考虑它。
这台作为控制核心的紧凑型工业PC通过DVI接口和带有触摸屏的液晶显示器相连接。同时通过CAN-Bus连接外围的控制阀。同时，PC的固有结构也让它带有了以太网卡和USB接口。在远程控制方面则可以通过Modem和串行通讯口来进行。

一种控制理念
Stöger自动化公司设定了一种新的控制理念，即机械的控制系统硬件除了在显示部分会根据型号不一而有所不同之外，其余部分都一样。这套控制系统的基础结构为16路数字输入输出，用于较小的基础型设备上。而扩展的I/O模块则可以根据需要再进行添加。Stöger公司的技术人员说：“这一点对我们来说很重要，我们现在能够从一家供应商那里得到我们所需要的所有控制系统。这样做的好处在于可以一直使用相同的编程语言。我们能够反用已经编写成熟的程序段，不论是较小的系统还是较庞大的控制单元。”
Helmut Fritz先生，Sigmatek公司德国区经理，解释道：“C-DIAS系列产品线的可升级性仅仅会体现在CPU上。在Sigamtek，没有小、中或者大型系统之间没有性能上的差异，也没有指令集的区别。各套系统之间的不同仅仅在于存储空间和内存的大小不同，接口的数量多少而已。所以在软件的执行方面，各个系统的性能是一致的。”
另外一个**的特点是编程语言。LASAL是一套基于Client-Server技术，且符合IEC 61131-3标准的先进的编程工具。这套软件采用高级语言编程，且具备面向对象的开发环境。由于程序中不*关联硬件地址，所以保证了程序段可以被任意地重复使用。一个典型的例子就是电机驱动的控制：对于控制器来说，马达驱动的种类是无关紧要的。不论是普通的马达还是伺服驱动器，只要它具备一个10V的信号接口就可以了。对于软件来说，只需要关心必须的设定参数就可以了。所以，只要你需要，那么就可以交换和复制整段的马达驱动程序，而不需要去关心它是如何来实现控制结果的。Sigamtek公司看到，也许在不久的将来，越来越多的开发人员将会在大学中接受这种面向对象的编程培训。
Stöger Automation GmbH公司的总经理Lorenz Stöger先生衡量性价比的时候说：“以前我们采用的控制系统比较廉价，但是性能并不好，老系统处理模拟信号的速度非常缓慢。在开展了**次的联合开发计划之后，我便认识到我们可以从Sigmatek获得的产品价格不算高，但是所具备的性能则是可以和哪些较为昂贵的系统相媲美。此外，对我们来说可以设定地址可视化技术也是非常不错的。同时要知道，我们自己也并不是在任何领域都是专业的，Sigmatek是个能够提供优质服务的自动化控制系统合作伙伴。”

在棉纺织企业广泛使用喷气织机的情况下，空压站建设是一项重要的辅助工程。在天津纺织园区所有空压站配备的主要设备为离心式空气压缩机、冷冻式空气干燥器，通过储气罐、连接管道和阀门等组成压缩空气供气系统，并配套冷却系统、仪表空气系统，计算机检测系统，以实现空压站为生产*保证不同压力、不同负荷的用气需求。在此前提下确保合格的供气品质，满足稳定的气源压力，自动调节供气等是空压站自动控制的基本任务。随着自动化水平的不断提高，关于建设无人值守空压站的讨论，是一个发展过程中的必然的课题。

空气系统自动控制的必要性

应用在天纺控股有限公司棉纺一工厂的空压站，安装有4台70M3/min 4台，53M3/min 4台，48M3/min 2台，43M3/min 4台离心式空压机和1台42.5M3/min螺杆式空压机，配有相应处理量的冷冻式干燥器。空压机设备自身带有的CMC控制器，能够自动控制和保护主机的运转，自动提示工作信息，具有故障报警和保护停机功能，能自动根据用气量的大小加载或卸载，并配有LCD显示屏供现场观察各工艺参数和设备状态，具有RS422/485通讯接口，可以实现与现场控制室计算机监控系统的完整连接。

目前，空压站的自控系统通过西门子S7-300可编程控制器，将部分空压机的实时运行数据通过RS422/485通讯接口采集进PLC控制系统，并将数据传送到现场控制室计算机上进行显示，以代替传统仪表。但是没有对空压机进行控制。

空压机设备自带的CMC控制器已经能很好的控制单台空压机，但是不具备对空压系统的整体调控能力。在空压系统中，相对单台空压机的调整，空压系统的整体自动调控具有更重要的意义：

■ 单台空压机无法保证空压系统整体供气压力的稳定，而空压系统的整体自控可以有效保持系统内空气压力稳定。

■ 整体的负载平衡，减少排气放空，可以节约更多的能源，节省人力成本。

■ 可以实现无人操作，根据实际需要自动开机或加载空压机以保持系统压力。

■ 可以定时间断地记录空压机运行数据和报警，如跳车、喘振、通讯故障、压力等。

在已有的PLC系统中，没有实现空压系统的整体调控功能。由于空压机自带的CMC控制器提供了RS422/485通讯接口，所有的数据采集和控制功能都通过通讯接口来实现，对比原有的控制系统，不需要增加硬件设备的投资，只需要改进和增加控制软件即可实现空压系统的整体控制。

除空压机设备外，还可以将与空压机配套的冷冻式干燥器集成到RS422/485网络中来，实现空压供气设备的全面自控。

空压站其他系统的自动控制

除空压供气系统外，空压站的其他系统也需要进行自动控制，如水循环冷却系统等。这些系统的控制方法与空压供气系统不同，主要是采用传统控制模式。使用仪表采集需要的运行参数，进行数据处理和分析运算后，输出控制信号给执行机构就可以实现系统的自动控制。

自动控制具有以下优点：

■ 操作简单，可以实现无人值守；

■ 良好的实时调节，防止了人为因素滞后；

■ 具有高可靠性；

■ 减轻工作人员负担；

■ 节省人力成本。

需要控制的参数和可能的控制方式

空压站需要的控制需求；⑴高、低压供气压力控制（机组自动开停控制）； ⑵系统自动排水控制； ⑶循环水液位控制和自动加药控制； ⑷所需压缩空气温度、循环水温度等参数控制等等。

空压系统的整体自动调控一般可以使用以下2种方法之一来实现：

⑴采用PLC系统进行通讯和控制。

⑵可以采用英格索兰公司或自己编制的控制软件。

**种方法可靠性高，适用于工业控制系统。当监控计算机出现故障时，PLC还可以按照设定的程序进行自动控制。

*二种方法是通过控制系统的计算机进行单独的分析运算进行控制，它具有较好的灵活性，但缺点是如果出现如计算机死机等故障时，有可能影响系统的正常运行。好在计算机的一般恢复往往不需要太多的时间。

除空压供气系统自控外，空压站可与制冷站、热力站系统一起建立设备控制网络，实现集中控制，或与工厂控制中心联网，由控制中心的控制器实时远程监控，实现真正的无人值守。

系统构成

对于以上讨论，如果需要实现空压站的整体自控，又许多成熟PLC自控系统可以选用，现以ZH公司的PLC自控系统为例。

该自控系统选用西门子S7-300系列可编程控制器，带有RS422/485网络接口，支持MODBUS等相关网络通讯协议。该系统可以采用**工业通讯网络技术实施远程联网。空压站自控设备可根据生产实际情况和各设备的特点，以及可能存在的问题，综合各方面因素后确立分级控制网络的实施方案，如图1所示。

■ 硬件配置

现场仪表，受控设备、执行器、带有串行通讯接口的设备（如空压机，冷干机等），PLC和监控计算机。

■ 软件功能

选用**的工业组态软件（如WINCC或iFIX）用来监视和操作整个生产过程，为控制系统提供通讯、显示及报表管理等功能，各设备控制器自成一子系统，其应用程序功能包括：信息，设备控制，故障报警，连锁保护，以及数据处理和通信传输。

在系统实施过程中，还可引入故障检测和故障诊断的处理程序，能够提高系统的智能化程度，有利于进一步改善自控系统的有效性和可靠性，通过优化调度策略，软件连锁保护等自动控制功能模式的应用，有望将自动化水平提升到更高层次，可以为确定空压机设备状态检修点提供依据，并由此获得更大的效益。

结论

总之通过自动化控制可以克服由于人为因素造成的调节滞后等不利因素，减少运行参数的波动，达到减少用工和节约能源的目的。对于提升天纺控股有限公司的整体技术水平是相当重要的。