周康军

（中铝山东有限公司，山东 淄博 255052）

1 前言

中铝山东有限公司第二氧化铝厂有压缩机5台，压缩机岗位主要负责为种分分解槽提供所需压力的压缩空气、吹管道用风、过滤机风包用风、气动阀用风等，是第二氧化铝厂重点设备。改造前设备运行过程中，已经暴露出很多问题，严重影响了压缩机的运行和维护。

1.1 存在问题

压缩机的监控不集中，每台压缩机单独1套操作台，随着第二氧化铝厂生产规模的扩大，对压缩机的连续运行时间和投入设备数量也随之提高，为满足生产操作人员有时要同时监控三个操作台，工作强度特别大。

原控制回路全部采用继电器联锁控制，应用了大量的中间继电器、时间继电器，机械接触点很多，电气联锁信号非常多，线路烦琐复杂，容易损坏，故障率高，控制效率低。控制仪表全部是电-II型仪表，控制、报警参数的调节靠人为手动，不能实现智能控制，所监测的进排气压力、温度等控制参数不能进行数据存储，保护回路动作引起压缩机跳闸造成压缩机不能进行正常启动时，系统维护人员很难查找引起系统动作的原因，在系统的修复上存在很大的困难。

1.2 改造的必要性

电气、仪表控制系统的装备技术水平已远远滞后，为了提高压缩机自动运行的性能，在目前控制状况的基础上进行改造是很必要的。我们结合工业自动化先进技术和压缩机岗位生产操作的特点，通过技术方案的比较及产品选型的反复论证，完成采用了高压电动机保护器和PLC控制技术相结合的控制方式，实现了低成本自动化改造措施，做到了投资省、见效快、实用性强，在确保压缩机可靠运行的前提下，对控制参数监测采集、集中监控、自动控制、故障诊断等方面提出了更高的要求，完成了自动化技术、计算机技术、通讯技术和管理技术融为一体的自动化系统。

2 系统控制概述

压缩机的控制主要为仪表控制设备和电气控制设备两部分。仪表控制设备主要包括参与压缩机控制的压力、温度和电量等现场仪表。电气控制设备主要包括主机和辅机部分。

主机是压缩机的核心部分，也是压缩机中最重要的设备。对于压缩机的控制而言，就是通过现场仪表、传感器、电气辅助设备把所有可采集的控制信号输入控制系统，进行分析判断，完成压缩机的顺利启动和在运行过程中对压缩机的保护，一旦发现异常情况，快速停车，以免出现重大设备事故。

压缩机在启动时，首先启动辅机部分，包括注油器电机、油泵电机和水泵电机，然后启动盘车电机，由盘车电机缓慢拖动主机运转，检查主机的机械传动部分有无故障，如无问题则停止盘车电机，继续检查励磁回路、油压、水压和水温等监控信号，条件允许则发出开车信号，启动主机进入运行阶段。在运行阶段，自动控制系统要分析所有的仪表信号和电气信号，把油压、水压、I级排气压力、II级排气压力、进水温度、出水温度、电机定子温度、主机电流和电压、励磁电流和电压等信号和设定的保护值进行比较，同时监测辅机和励磁控制回路的运行情况，发现异常后，自动进入系统保护程序。保护按工况分为一级保护和二级保护，一级保护给出报警信号，提示操作人员快速采取措施调整压缩机的运行状态，以免造成不必要的停车，例如水温、I、 II级排气温度超高预警值；二级保护则要立即停车，例如励磁回路故障，主机失磁等。

3 自动控制系统的结构和硬件配置

系统主要由现场控制层、操作监控层和管理层构成。选择西门子PLC做现场控制单元，完成压风机的控制任务；操作监控层采用DELL GX320计算机做上位机操作站，显示实时数据以及操作画面；计算机设有数据库、并入局域网，管理人员可以通过局域网进入压缩机控制系统浏览实时和历史数据，并据此进行系统的优化等工作，构成了系统的管理层。现场控制站与操作站之间采用RS485总线，MODBUS协议通讯；操作站、工程师站与局域网连接。整个系统可靠性高，同时又具有先进的管理功能，而其成本较采用进口DCS低一倍以上.系统的总体结构如图：

3.1 PLC系统硬件配置

对控制站进行配置时，充分考虑到压缩机的控制特点，必须能够快速地响应来自传感器的信号，进行判断分析，要求控制单元必须具备强大的逻辑及浮点运算能力，丰富的控制算法，我们选择了CPU315-DP作为控制器，选用6ES7 321、331、322为i/o模块，选用6GK7 343为以太网通讯模块，通过IM153进行远程I/O扩展。

3.2 主要电气设备和元件的选型

真空断路器：选用ZN68-1250型，该断路器具有寿命长、维护简单、无爆炸危险、无污染、噪音低等优点，并且适用于频繁操作等比较苛刻的工作条件。在高压盘柜施工，拆装简单。

励磁装置：选用BL31型励磁装置，可实现恒功率、恒流、恒压功能，自动调节性能及稳定性和可靠性增强，操作人员在开车前只需要观测，无须调解励磁，维护及维修量降低。

高压电动机保护器：选用施诺S310M型高压电动机保护器，它是集可靠的保护功能、灵活的控制功能、精确的测量功能、完善的记录功能、稳定的通讯功能和电度计量功能于一体的智能装置。完全可以替代中间继电器。

低压电气元件：低压断路器、交流接触器、热继电器等全部采用ABB的产品，有效的提高了电气元件的可靠性。

4 自动控制系统功能的实现

4.1 自动控制系统

自动控制系统从功能和结构上进行划分，可分下位机系统和操作员系统两部分。下位程序指令是整个控制系统的核心部分。

4.1.1 上位计算机监控组态

控制系统设置2个操作台，便于生产操作人员对压缩机运行过程的监控管理，所有的运行数据实时显示，可以在操作台上启停除高压电动机以外的所有设备。实际设备运行中的人机对话通过上位计算机的WINCC监控组态软件全面实现。操作员站设置有如下显示画面：

（1）流程画面：将现场控制站采集的现场数据及工艺参数显示在流程图的相应位置上，通过动画直观的显示压缩机的运行状态及各种实时数据。操作人员可根据此画面了解整个系统的运行情况。

（2）调节画面：将系统各控制回路的运行状态和有关参数以调节棒图的形式显示出来。可以显示回路的手、自动状态。操作人员利用键盘或鼠标方便的对各控制回路的控制参数进行在线修正。

（3）报警画面：用于记录何时何地有何报警，以便有关人员查询，同时实现安全报警、联锁控制。

（4）历史趋势画面：用于记录系统主要工艺参数的长期历史趋势数据，以曲线的形式显示出来，可为分析系统运行情况及效率，查找故障等提供依据。

工程师站除具有操作站的全部功能外，还具有参数设定与修改，系统维护等功能。可设定系统的各模拟量测量点的标度变换系数、热电阻、热电偶的线性化参数、孔板流量计算参数、各控制回路组态参数及PID参数等。工程师站负责系统的打印任务，可打印即时报警历史报警记录以及压缩机运行日志和历史数据表格等。系统通过企业内部网，使有关领导可从内部网上看到压缩机系统的运行状况，并实现系统的远程诊断和维护。

4.1.2 数据采集

现场仪表采集的信号包括油压、水压、I级排气压力、II级排气压力、进水温度、出水温度、电机定子温度。电量信号包括主机电流、主机电压、励磁电流和励磁电压。所有的仪表信号和电量信号均参与压缩机的保护和控制。

数据采集分析采用调用功能图FB101进行编程处理，FB101 是自行编写的工程量数据转换模块，数据进行工程量转换后，输送至数据值比较模块和设定的报警值进行数据比较，为了消除干扰所产生的数据抖动，以免发生误动作，数据比较时进行了适量时间的延时，如果采集的数据超出预警值，自动调用数据报警处理程序。

4.1.3 网络通讯

操作员站和现场控制站之间通过工业以太网的方式进行数据交换。

4.2 电气系统

系统中的电气信号传输采用了以下方式：

电气设备控制元件断路器、交流接触器、热继电器、电流变送器等设置于电磁站内，来自低压盘的开关量输入信号系统配电电源的方式通过开关量输入板直接接入控制器，不再另外设置24VDC继电器转换隔离。

开关量输出通过开关量输出板，经24VDC继电器隔离后以无源方式输出。

所有电器设备的状态显示、故障报警、启动停止操作，以及有关数据的修改等全部在上位计算机集中完成。

电气设备油泵、盘车电机、注油器电机、水泵实现了集中、机旁操作，高压电动机根据工艺要求只允许在现场开车，在操作室内安装了高压电动机急停开关，以便在突发情况下使用。

设备的启动停止、压力信号的控制联锁逻辑、电气程序指令以及部分设备的报警功能等存储在下位控制器中。

5 应用效果

改造后的压缩机自动控制系统安全稳定、性能优越、维修简捷、操作方便、故障显示清楚、故障率低、控制效果良好。投入使用后实践证明，运行情况良好，满足了的工艺要求，提高了设备开动率，降低了检修费用，特别是降低了工人的劳动强度，提高了企业生产率。