吴勇波，李朋，侯小波

（1. 深圳烟草工业有限责任公司，广东 深圳 518109；2.北京航天拓扑高科技有限责任公司，北京 100176）

螺杆式空压机是卷烟厂动力车间的重要设备之一，是产生压缩空气的主要设备。但其自动化程度低，控制方式相对简单，通常采用两点式（上下限）控制，即当空压机气缸内的压力达到设定压力上限值时，空压机关闭进气阀，进入卸载状态，当储气罐内压力低于设定压力下限值时，空压机打开进气阀，进入加载状态。空压机在运行过程中排气量和压力经常因为生产车间的用气量变化而变化，这就导致空压机经常是加载一段时间，然后，卸载一段时间，频繁重复加载和卸载。螺杆式空压机的上下限的控制方式导致产生的空气压力不稳定，管路的空气压力波动比较大，不能保持恒定的车间用气压力；空压机频繁的卸载和加载，对电网的冲击比较大；空压机卸载状态时，主电机依旧保持运行，并不产气，运转效率低，能耗大，电能浪费较大；空压机始终高速运转，且频繁操作进气阀，导致机械磨损加快，增加造气成本。

由于烟厂制丝生产线是流水式生产线，自动化程度高，相应对于空压的稳定性要求也很高，以及卷烟厂对节能降耗的要求不断增加，加上上述螺杆式空压机的缺点，有必要对螺杆式空压机进行变频节能改造。随着工控技术的发展，变频器所具有的性能稳定性、节能、调速等特性在工控领域的广泛应用，以及可编程控制器（PLC）具有体积小、控制功能强、可靠性高、编程简单、易于扩展等特性。通过PLC 控制与变频器相结合为空压机节能改造提供了可靠的技术支持。

1 控制系统方案设计

1.1 系统组成

系统组成主要包括硬件和软件两方面，硬件方面主要由可编程控制器，即PLC（西门子315 PLC）、分布式IO（西门子151-3）、数字量输入输出IO 模块及模拟量输入AI 模块、变频器（丹佛斯FC302 系列）、压力变送器（E+H 产品）等产品组成。每台空压机电机通过变频器控制，空压系统内其它电机均由分布式IO 控制；软件方面主要由西门子S7 编程软件和Intouch 监控软件组成，S7 用于编写PLC 控制程序，Intouch 用于完成人机界面的开发。

1.2 系统网络架构

系统架构包括设备控制层和集中监控层两大部分，从功能上包括底层动力自动控制、设备运行集中监控两大系统，并为信息管理层预留提供基础数据接口。设备控制层主要由各类现场控制设备、计量仪表和各类现场通讯网络组成；集中监控层主要由过程控制单元如PLC、数据采集网关、各类操作计算机设备和工业以太网组成。网络架构采用分散控制、集中监控的模式。PLC 通过Profinet 网络将变频器、分布式IO 进行组网；多功能电能表通过Profibus DP 组网，流量计通过Profibus PA 组网；空压机网关、监控机通过TCP/IP与PLC 的CP 网卡相连。网络架构如图1。

图1 网络架构图

这种配置方案技术先进，广泛采用目前国际领先的分布式技术和现场总线产品，大大减少了电控箱的柜间连线和省去了大量的现场线缆，既提高控制精度和可靠性，又给维护保养带来了很大方便。

2 节能控制设计

节能控制主要是依托系统硬件设计，通过数据采集及PLC 编程控制实现节能，主要有以下两方面：

（1）通过PID 闭环调节控制变频器转速；

（2）通过PLC 编程，控制空压机数群控策略。

2.1 PID 闭环控制

PID 闭环控制是将采集压力实际值反馈给PLC，通过跟压力设定值进行比较，输出给PID 控制器，通过调节电机频率，从而控制实际压力使其达到设定值，PID 闭环控制回路如图2 所示。

动力车间空压系统启动运行时，首先，设定系统压缩空气的工作压力，即压力设定值SP。在空压机出气管路上加装的压力传感器，系统运行时，实时采集空压机出气口实际压缩空气的压力，即可采集压力实际值PV。PLC 编程PID 闭环控制程序，通过采集的压力实际值PV 与工作压力设定值SP比较，如果不一致，则通过PID 闭环控制调节变频器频率设定值，实现空压机电机的变频运行，从而达到节能的目的。系统运行框图如图3。

图2 PID 闭环控制示意图

图3 系统运行框图

2.2 空压机数群控策略

空压机网关的安装可实现PLC 与空压机本身控制的通讯，PLC 可远程启停空压机，PLC 程序根据压缩空气总管压力控制空压机运行台数，使空压机的运行台数与用气负荷相匹配，从而避免了以往运行工根据经验开启一定台数的空压机的做法。在生产稳定情况下，压空机需要空压机的总出力大于生产用气的最大负荷，但是，空压用气点除了工艺用气相对稳定外，吹扫和除尘用气都属于间歇性用气，且用气时间短，因此，空压系统总会有一台空压机处于运行状态（加载），运行频率通过PID 闭环控制进行调节。当用气量等于或超过此单机容量时，自动增加一台空压机启动并使其调速运行。

3 空压机变频改造后的效益

3.1 节约能源

空压机加载运行时，电机运行转速降低，并且卸载现象减少，减少了空压机的无用功，从而达到节能效果。

3.2 提高系统压力稳定性

螺杆式空压机采用变频器及PLC 控制后，系统可以实时监测管路中压缩空气的压力，通过PID 反馈闭环调节，使管路中的压缩空气的压力保持恒定，提高了系统压力的稳定性。

3.3 延长空压机使用寿命

空压机变频启动电流小，基本消除空压机频繁的加卸载过程，加卸载阀门反复动作也相应消除，空压机变频控制，自动调节电机转速，运行频率低，转速慢，轴承磨损小，设备使用寿命延长，维护工作量变小。

3.4 噪音小

空压机电机通过PID 闭环控制变频运行，能量损耗低，电机运行频率低，因此，降低了机械转动产生的噪音；反复加载、卸载的过程基本消除，频繁加卸载的噪音也基本消除；持续加压，气压不稳产生的噪音也基本消除。

4 结语

总之，螺杆式空压机采用变频器及PLC 控制系统后，不但实现了节能的目的，延长螺杆式空压机的使用寿命，还可实现卷烟厂动力车间空压系统供气压力稳定的目的，减少生产成本，提高经济效益、生产效率和产品质量。