空气压缩系统的远程监控和节能改造

                                      (内蒙古TCL王牌电器有限公司，内蒙古 呼和浩特 010010)
摘 要：文章介绍了通过采用工控网络系统、组态软件和变频驱动控制技术，实现空气压缩系统远程控制、供气质量提高以及能耗节约的过程。
关键词：空气压缩机；远程监控；组态控制；变频控制
中图分类号：TH45∶TP273  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2008)03—0050—02
1 改造背景
      内蒙古TCL王牌电器有限公司的空压站位置与用气单位距离较远，同时担负3个不同用气单位的压缩空气需求。而各用气单位的用气量、用气时间存在较大的差异，气量需求在不同时段处于动态变化状态。为保证资源的合理配置使用以及系统气压的稳定，空气压缩机组的监控和操作人员必须根据用气量的变化和气压的波动，及时调整各台机组的运行状态。但由于同时负责监控其他设备，监控室与空气压缩站距离较远，监控人员需要经常要往返于两地之间，劳动强度大，容易发生因状态变化与监控脱节造成气压的波动。
      空气压缩站内共有12m³空气压缩机4台，6m³空气压缩机2台，系统压力6.5～7kg，通过各机组的启闭来平衡用气负荷，节约电能。但气量需求经常性的突然变化，往往使部分空压机长时间处于空载或轻载状态，存在大量的能源浪费。为此决定对空气压缩系统进行实现远程监控和节能运行的改造。
2 总体改造方案
      目前可实现远程监控方法较多，如PLC远程控制、工控网络与组态控制等，根据现有资源状况和所要求实现的功能要求，决定采用工控机与组态控制的方式，通过人机对话界面实现机组的运行状态显示、远程启停、加卸载功能、管路压力的上、下限及各有关数据和报警的设定及显示、机组启停和各种相关操作的历史记录和显示，以及历史压力曲线的建立、实时和历史报警记录查询。而对于节能改造则采用较为成熟的变频驱动控制。
2.1 远程监控系统
2.1.1 硬件系统：泵站内有4台寿力LS-1612m³空压机、2台寿力LS-106m³空压机，控制系统全部带有RS485通讯端口和通讯模块，便于对机组进行远距离监控，采集压力、温度、电流等数据。上位机采用研华810A工控机，放置于距离空气压缩站50m的监控室内，因距离较远和避免干扰的影响，监控室到压缩空气站仍采用RS485通讯总线，采用研华ADAM-4520RS-422/485转换器转换成RS232接口与工控机连接。主管路加装带高精度4～20mA的压力变送器。
2.1.2 组态软件：可以采用的工控组态软件很多，因已有使用经验而选用了力控的组态软件，界面为中文，使用方便。工控机使用windows xp操作系统。通过硬件组成Modbus通讯网络，使用Modbus协议。Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其他设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其他设备的过程，如果回应来自其他设备的请求，以及怎样侦测错误并
记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。当在Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。
      力控组态软件支持标准Modbus协议，根据目前空气压缩系统的监控要求，构造出数据采集与监控系统。组态软件具有方便、灵活的开发环境，提供各种工程和画面模板、大大降低了组态开发的工作量；具有实时开放数据库系统，强大的分布式报警、事件处理，支持报警、事件网络数据断线存储，恢复功能。支持操作图元对象的多个图层，通过脚本可灵活控制各图层的显示与隐藏；强大的ACTIVEX控件对象容器，定义了全新的容器接口集，增加了通过脚本对容器对象的直接操作功能，通过脚本可调用对象的方法、属性。此外组态软件可以与多种I/O设备进行通信。目前支持的I/O设备包括：可编程控制器、智能模块、板卡、智能仪表、变频器等。
2.1.3 系统监控方式：上位工控机组态软件能够实现对空压机的过程监控和数据采集，通过RS485通讯接口连续接收和发送控制器的数据信息在监控器上显示，同时可将指定区段的数据存在数据库中，作为历史记录，以备日后进行运行分析、事故追述使用，根据实际要求设计了以下功能：①各台空气压缩机实时运行状态显示，主要有：排气压力、排气温度、运行电流、控制状态等；②系统，即主管路压力值显示和上下限设定显示；③远程启停、加卸载功能；④实时和历史压力曲线显示和记录；⑤各机组运行数据超限报警和数据记录。同时可以设计机组的自动启停功能，根据设定压力范围比较实时管线压力，自动减少或增加空压机组，以实现压力的稳定。
2.1.4 监控功能的组态设计和接口设计：利用力控组态软件的图形开发环境、图形界面运行系统、分布式实时数据库，I/O驱动程序等组件，进行监控画面图像元素、数据库以及各功能实现的，以形成完整的监控系统。
      由于通讯协议为标准的Modbus协议，将组态软件I/O设备驱动中的Modbus协议驱动程序激活，设置设备地址（01-06）及各通讯参数的设置。将点参数与各台空压机中的过程数据的地址相连接，建立数据库点参数与现场数据的通信链路，完成上位机与下位机之间的数据通信。经调试，监控系统工作正常，实现了灵活的远程监控，并且运行稳定。
2.2 空压机的变频控制改造
2.2.1 节能分析：空压机自身的容调功能和加卸载功能不能实现压力的稳定控制和电能的最大节约，在系统压力超过空压机设定压力时，总有部分空压机进入卸载状态，空车运行，由于不是电机的经济运行状态，存在电能的浪费，同时引起气压的波动。
      变频控制在工业控制领域已广泛使用，在空压机的节能改造上应用成熟可靠，通过改变机头电机的转速来实现输出气量的连续调整，当用气量减少时用变频调速降低电机转速，从而减少电机功率消耗，达到电能的节约的目的。
2.2.2 改造技术要求：为保证系统的灵活性的需要，变频控制系统控制4号12m³气泵并能在工频与变频之间切换；改造后配合原有的远程监控系统，实现管路压力的精确控制；变频系统工作时不会对现有的控制和测量系统，造成干扰。
2.2.3 技术方案和改造过程：空压机变频节能系统主要利用变频器自身的PID调节功能，通过压力传感器，采集压缩空气管路系统压力，将信号反馈给变频器，调节空压机的转速和输出功率，形成一个闭环反馈系统。
      由于空压机负载为恒转矩负载，因此选用恒转矩型变频器，空压机电机功率为75kW，因工频满载时实测电流低于额定电流，最终选用同功率的西门子MICROMASTER 440系列型号为6SE6440-2UD37-5FB1的380V变频器，压力变送器可利用管路上原有的变送器。加入的变频控制系统单独安装在一个配电柜中，配电柜应靠近4号气泵。变频器安装专用的出入、输出滤波器，控制端子接线使用屏蔽控制线，变频器应单独接地。
      LS-16空压机使用星-△起动模式，星型起动2～10s后再投入三角形运行。在这个过程中，空压机的进气阀的开启程度由20%逐渐加大到100%，也就是说起动过程中负载是逐渐加入的。     

      因此在改造时，采用星型接触器的常开触点来控制变频器的方向运行信号，以防止全载起动负载过重造成变频器过电流保护。
      控制柜基于PLC控制，可以实现起动、运行、停止、运行方式切换、报警的功能。PLC采用三菱FX1N，配用RS485通讯适配器，与上位机连接，在原来的组态控制软件中增加变频柜的控制和状态显示功能，实现远程控制。
2.2.4 运行效果：改造后，将管路系统压力设定到6.5kg，4号泵实际工作电流主要在额定电流的55%～85%之间变动，其他气泵均在保持满负荷运转，有效避免了卸载空车运行，综合节电率达到15%以上，同时压力控制精度和稳定大大提高，系统稳定时可达到±0.1kg。
3 小结
      此次对空压站空气压缩系统的远程监控和节能改造，完全达到了预期的目标，实现了空气压缩设备的实时检测和远程管理。监控人员完全可以通过观察气压等状态信息的变化，及时调整设备投入，并在变频控制的配合下实现系统压力的稳定控制。不仅提高了供气质量，同时减少了设备损耗和能源消耗，取得了明显的效益。这套系统仍有改进和完善的空间，如增加冷却水、水泵系统的监控和控制，扩大变频控制的范围和灵活性等。

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