基于西门子S7-300PLC的空压站监控系统研究

1、基于西门子S7-300 PLC的空压站监控系统研究摘要空压站用于制造压缩空气，为工业生产中的气动设备提供动力，空压站系统工作的 可靠性和高效性直接影响着全厂的生产作业和经济效益。随着现代工业生产管理的逐步 精细化，企业期望构建具有气压控制精度高、能耗低且稳定性好的空压站监控系统，提 升系统的自动化监控及管理水平。本文以某石油专用管企业空压站计算机监控项LI为背景，按照厂家要求并根据匸艺 特点制定空压站监控系统总体设汁方案，提出了变频控制和机组协调控制相组合的控制 策略，进行了系统硬件设计和软件设计。整个系统为上位机监控层、PLC采集控制层和 检测执行层三层构架形式，应用PROFIBUS-DP分

2、布式控制技术建立主站PLC与ET200M 从站的连接。监控层使用WinCC V7.3组态软件设计上位监控程序，采集控制层通过 STEP7 V5.5软件完成PLC硬件组态及程序编写，实现系统控制方案，使用WinCC Flexible 2008软件进行触摸屏程序开发，现场检测仪表和执行器组成系统检测执行层。最终完成 空压站监控系统现场调试，实现了空压站现场工况的实时监测与控制。为实现监控系统对供气压力的精准控制，本文针对系统供气压力特性提出了变频调 速系统的模糊自整定PID算法，实现了系统变频自动控制，并通过MATLAB软件仿真 验证模糊自整定PID算法的优越性和可靠性。实际应用表明，设计开发的基

3、于西门子S7-3OO PLC的空压站监控系统稳定性高，变 频控制和空圧机组协调控制相组合的控制方法可行，在恒压控制上效果显著，能够满足 生产需求。关键词：空压站；恒压供气；S7-300 PLC；模糊PID控制；监控系统 论文类型：应用研究ABSTRACTThe air compressor station is used to make compressed air and provide power for pneumatic equipment in industrial production. The reliability and high efficiency of the air

4、compressor station system work directly affects the entire plants production operations and economic benefits With the gradual refinement of modern industrial production management, companies expect to build an air-pressure station monitoring system with high pressure control accuracy, low energy co

5、nsumption and good stability, and improve the systems automation monitoring and management.Based on the background of the computer monitoring project of an oil-exhaust pumping station s air-pressure station, this paper develops an overall design scheme for the air-pressure station monitoring system

6、according to the requirements of the manufacturers and according to the characteristics of the process A control strategy combining frequency control and unit coordination control is proposed and the system is implemented Hardware design and software design. The entire system is the upper computer m

7、onitoring layer, the PLC acquisition and control layer and the detection and execution layer three-tier architecture form. The application of PROFIBUS-DP distributed control technology establishes the connection between the master station PLC and the ET200M slave station. The monitoring layer uses t

8、he WinCC V7.3 configuration software to design the upper monitoring program The acquisition and control layer completes the PLC hardware configuration and program writing through STEP7 V5.5 software, implements the system control program, uses the WinCC Flexible 2008 software for touch screen progra

9、m development, and on-site inspection. Instrumentation and actuators form the system to detect the execution layer. The final completion of the air compressor monitoring system on-site commissioning, real-time monitoring and control of the air compressor station on-site conditionsIn order to realize

10、 the precise control of the supply pressure of the monitoring system, this paper proposes a fuzzy self-tuning PID algorithm for the variable pressure speed regulation system based on the system air supply pressure characteristics, and realizes the automatic frequency conversion control of the system

11、. The fuzzy self-tuning PID algorithm is verified by MATLAB software simulation. The superiority and reliabilityIIIThe practical application shows that the design and development of the air-pressure station monitoring system based on S7-300 PLC has high stability, and the control method of combinati

12、on control of variable-frequency control and air-compression unit coordination is feasible, and the effect is significant on the constant-pressure control and can meet the production demandKeywords: Air compressor station； Constant pressure gas supply； S7-300 PLC；Fuzzy PID control； Monitoring System

13、Thesis: Application ResearchIV目录第一章绪论11课题研究背景11.2空压站监控系统发展现状21.2.1螺杆空压机发展历程21.2.2空压机的控制方式31.2.3空压站监控方式研究现状31.3课题研究意义51.4论文研究内容5第二章空压站监控系统总体方案设计72空压站工艺概况及系统需求分析72.1.1现场情况槪述 72.1.2空压站工艺流程 82.3空压站监控系统建设需求分析92.4监控变量分析与统计92.2空压站监控系统总体设计102.2.1系统设计依据102.2.2 空压站监控系统架构102.3空压站恒压供气控制112.3.1恒压供气PID闭环控制方案122.3

14、.2 空压机组协调控制策略132.4本章小结14第三章模糊自整定PID控制方案设计 153控制算法的选择153.2模糊控制基本理论153.3模糊控制器153.3.1模糊控制器基本结构 153.3.2模糊自整定PID控制器163.4模糊自整定PID控制器的设计 173.5系统仿真203.5.1模糊自整定PID控制系统建模203.5.2仿真结果及分析223.6本章小结23第四章空压站监控系统硬件设计244空压站监控系统硬件构成244.2系统硬件详细设计与设备选型254.2.1上位机硬件选型 254.2.2 PLC硬件选型 254.2.3触摸屏选型274.2.4传感器选型284.3控制系统硬件连接2

15、94.4系统控制柜设计304.5本章小结30第五章空压站监控系统软件设计315空压站监控系统软件总体设计315.2空压站PLC控制系统软件设计325.2.1 STEP 7硬件组态与通信设置 325.2.2系统控制方案的实现335.3上位机 WinCC组态设计 395.3.1监控系统总体结构395.3.2项目创建与监控画面组态405.3.3创建全局脚本动作455.4触摸屏的应用475.5监控系统现场调试495.6本章小结51第六章结论与展望526.1结论526.2展望52参考文献55VI第一章绪论空气压缩机（简称空压机）是一种将原动机的机械能转换为气体压力能的动力供给 设备，它通过压缩空气增加气

16、体的能量来给外部机械提供动力。如今空圧机已成为工农 业生产中一种用途极为广泛的通用设备。经过空压机压缩后的空气压力提升称为压缩空气，压缩空气具有易储存、易输送、 安全环保等特点，在当今工业领域中被广泛应用，是仅次于电力的第二大动力源。螺 杆空压机以其成熟的技术、高性能及高度可靠等一系列优势在中等容积流量的空气动力 装置及制冷空调行业中占领先地位，在工业发展中发挥着重要作用。空压站即圧缩空气站，为煤矿生产、医药、纺织、电力等行业提供稳定的供气圧力 需求。空圧站工作的安全性、稳定性和自动化程度在企业的正常生产和经济效益上起着 决定性的作用，因此对空压站内设备的安全保护和主要工艺流程参数的实时监控是

17、十分 必要的2】。整个监控系统中外送空气主管压力的控制最为重要，充足稳定的供气压力可 以保证气端设备顺畅运行，提高生产效率。釆用良好的控制策略使得在满足用气需求的 同时有效控制空压机的运行数量实现设备的自动轮换，可起到节约电能，减小设备磨损 和气圧波动的作用。因此，设计开发一套安全稳定、功能完善、自动化程度高的空压站 监控系统有着重大的意义。1.1课研究背景本论文以某石油专用管企业空压站为研究对象，空压站承担着石油专用钢管成型、 清洁、喷漆等工艺过程的气动设备动力供给，通过考察分析得知原空压站机组常年山人 工就地操作进行加、卸载供气控制，并派专人值守、定时检查和记录设备运行情况。III 于现场

18、用气设备种类多，且用气量大小存在差异，因此各时段用气量常出现不均衡的现 象，在这种情况下由人工监控空压机组运行明显存在着以下不足之处：1）原有空压机的驱动电机没有转速调节功能，仅依靠加载和卸载控制进气阀的开/ 关来调节供气压力。在外送空气主管压力小于设定压力下限值时进气阀打开使之全开吸 气，随即储气罐内压力会持续上升；若用气量下降而空压机持续加载至主管压力为设定 上限时关闭进气阀，同时泄放阀打开，空压机将进入空载运行模式。在这种加、卸载的 供气控制方式下机组会频繁加减负荷，加剧了设备的磨损，且设备的能耗大、无功损耗 大。2）使用机械方式开或关进气阀来控制空压机加/卸载的方法，不能做到供气量的连

19、 续调节，当用气单位的用气量不断变化时，供气压力表现出不同程度的波动，导致工艺 精度达不到要求，造成工业生产产品质量降低。3）每台空压机的启/停都由人I：操作完成，空压站内设备的运行情况需要专人巡检， 人工记录干燥器出口流量、空压机出口空气压力等数据。这增加了人力，同时抄写的数据 也不便于存储和统计，并且数据是间断的，不能很好的分析空压站实时生产情况。以上为该企业原空压站系统存在的问题和不足之处，可以看出原有控制方式和系统 已经不能满足钢管厂发展的需要，企业期望引进先进的设备和监控系统确保丄厂的正常 生产并能提高全厂的经济效益。随着控制领域的逐渐拓展，工业控制系统的结构从开始使用的计算机集中控

20、制系统 （CCS）逐步发展成为第二代分散控制系统（DCS）直至当下流行的FCS （现场总线控 制系统）在不断的演变。依托控制系统结构并针对原有系统的缺点，结合空压站恒压 供气特点，设计出一套基于PLC的空压站监控系统，对之前的空压站系统重新规划升级。1.2空压站监控系统发展现状1.2.1螺杆空压机发展历程本课题空压站中选配的均为美国寿力螺杆空圧机，其外观图如图1-1所示。螺杆空 压机是通过机体中相互啮合的螺旋形转子转动压缩容积内气体、增加气体分子密度来提 高气体压力的一种容积式压缩机。图1-1寿力螺杆空压机外观图早在1934年，瑞典皇家工学院教授AlfLysholm（利斯霍姆）就发明了双螺杆压

21、缩机， 经过他继续深入研究，于1937年在SRM公司，成功研制出两类测试结果令人满意的螺 杆压缩机试验样机。之后喷油技术的引入进一步改进了之前螺杆式空压机对螺杆转子型 线加工精度的要求，并且对机组的噪声、转速和结构等都产生有利影响。喷油螺杆空压机 在1957年正式投入市场应用，且凭借自身高效、可靠的优势迅速在民用市场占据一席之地 |7o 1960年，法国人Zimmern（辛麦恩）提出了关于单螺杆压缩机的构想，并在两年后试制 出第一台样机。之后人们在这些研究和发明基础上乂通过持续不断的基础理论研究和产 品开发试验，进一步改进转子型线并成功开发出专用转子加工设备，螺杆压缩机的优势 得到更充分的发挥

22、。近二十年来螺杆空压机以其明显的性价比优势在石油、矿山、国 防军工等众多领域的市场占有率不断扩大，发展速度日益加快。1.2.2空压机的控制方式空压机的控制方式依控制要求制定，是空压站控制系统设计的重点，合理有效的控 制方式是空压站稳定、高效运行的前提。总结空压机常见的控制方式如下所述，每种方 式的特性和用途作为本设计中制定空压机组控制方案的参考。第一种是启停控制，一般小型空圧机常采用这种控制方式。使用时启动空压机为储 气罐充气，当罐内的气体圧力达到设定压力上限时，空压机就停止运行并输送管内气体 给用气设备，在罐内气压达到设定压力下限值时，空压机会重新启动乂重复开始下一个 充气过程。这种启停的控

23、制方式操作简单并且效果显著。但是空压机的驱动电机在单位 时间内的启停次数可能会超过限制，频繁的启动和停机会对空压机本身造成一定的损耗。第二种是加载/卸载控制，空压机启动稳定后不断加载以满足生产所需用气量，若生 产过程中用气量下降，外送空气主管压力上升至设定值上限，则立即关闭进气阀，气缸 随即停止进气，空压机自动进入卸载模式。当主管压力低于设定最低压力时，空压机 乂开始加载，全功率负载运行。因为空压机在卸载过程中电机始终处于空载状态，储气 罐内的多余气体被释放，所以加载/卸载控制方式下会浪费较多的能源。第三种是转速调节控制方式，这种方式在目前空压机流量调节方式中效率较高，常 用的方法有直流电机直

24、接调节空压机转速、变频器+交流异步电动机和变频器+永磁同步 电动机的方式，通过改变变频器输出频率来调速“叭这三种方法各有千秋，通常根据控 制需求和适用场合进行选择。在变负荷生产工况下使用转速调节方式对空压机运行转速进 行调节，可以在很大程度上提高空压机的运行效率，最大可能的为企业节约运行成本。从经 济性、可靠性和技术性能方面考虑都是极佳的选择【。实际工程应用中，螺杆空压机一般不单独直接使用，为满足工业生产的要求，常购 置多台空压机设备组成空压站系统，为整个空压机组制定合理高效的控制方案。1.2.3空压站监控方式研究现状现代电子与通讯行业、自动控制技术及计算机技术等多种先进技术的快速发展及工 业

25、控制规模的日益扩大，推动和促进了工业自动化监控技术的逐渐发展、完善和成熟。空压站自动化监控系统主要实现两大功能，一是对空压站内主要参数的检测与监视， 二是实现控制方案对空圧机组的调控。查阅文献资料对空圧机监控系统发展现状进行了 分析总结，根据空压机控制器设计的不同将现阶段空圧机监控方法归纳为如下三种：1）以单片机（MCU）为核心的空压机监控方法用于工业控制的单片机，其芯片按照工业测控环境的要求来设计，各功能部件的集 成度较高且内部布线短，在工业抗噪声性能方面也胜过一般通用的CPUo其芯片外部提 供有供扩展用的三总线和输入/输出管脚，可以用于构成各种规模的计算机应用系统。王利全、陈志平在他们的文

26、章中设计的一种基于51单片机的空气压缩机控制器，配 套外围信号采集放大电路、继电器控制电路和液晶显示电路等各功能模块，可以对多组 工作数据实时监控，实现了空压机组的保护功能和自动维护旧。陈辉等人运用AVR单 片机技术结合模块化柔性设计理论，设计出一款基于单片机的小型单螺杆空压机控制器 和相应的控制器系统软件，经过工程测试和实际应用，表明该控制器功能齐全且成本低 廉，可较好的满足市场需求【四。分析訂前以单片机为控制核心的监控系统发展状况，可以看出仍存在诸多不足之处， 首先单片机系统的硬件设讣相对复杂，系统外围模拟电路较多，易受到复杂工矿环境的 干扰，即使注意芯片、器件选择，采取通道隔离、滤波等多

27、种措施，也难以保证系统运 行的稳定性。其次资源和功能的简单化使得一些算法和原理的实现受到限制，如测温、 测压等只能给出初步近似的结果。再者单片机繁朵的线路结构为故障检查增加了难度， 给系统维护带来不便。2）基于数字信号处理（DSP）的空压机监控方法DSP （digital signal processor）是一种以数字信号来处理大量信息的独特的微处理器， 其主要特点有可编程性、强大的数据处理能力及每秒上千万条复朵指令程序的高运行速 度。如今各种系列的DSP产品在工业控制中被广泛使用。廖德健设计的基于DSP的空圧机电机运行状态监控系统与传统的继电器保护装置 相比，其运行系数的监视更加准确及时，装

28、置的参数设置也更方便，并且在可靠性、速 动性和选择性等方面都有较大的进步IT。杨伟新和张晓森在它们文章中介绍了一种以 DSP为核心的测试空气圧缩机示功图的新方法，完成了空气压缩机汽缸内压力的A/D转 换、数字信号处理、数据传送等任务，最终通过串口将数据发送到PC机进行示功图的 绘制，实现了压缩机运行状态的实时监测。DSP技术有自身独特的优势，同时也存在一定的缺陷，DSP技术在空压机监控系统 方面的应用表现出儿点不足，首先DSP系统中高速时钟带来的高频干扰和电磁泄漏等一 些问题会导致整个系统的不稳定，使得系统消耗较大的功率。第二现场数据记录和报警 限制值的输入等操作不简便、不直观，给现场调试带来

29、不便。3）基于可编程控制器（PLC）的空压机监控方法可编程控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子系统，其 模块化的结构设计和完备的硬件配套使系统配置方便灵活。PLC应用光电耦合隔离等多 种滤波方法可有效的防止干扰信号的进入，软件方面PLC采用了警戒时钟、故障诊断、 自动恢复等措施，还配置了后备电池对程序和数据进行保护，它的平均无故障时间可达 数万个小时以上，因此相比起来PLC的可靠性更高，以PLC为核心设计的控制系统在 生产生活的众多领域里得到很好的应用。许多学者、工程师都使用PLC来开发建立工业现场的自动化监控系统，例如冯宇和 何敬为某煤矿设汁的空压机在线监控系统，通过S

30、7-300 PLC程序设计圆满的解决了多台 空压机的稳定协调问题，使用组态软件设计人机界面对空压机站集中管理和实时监控 I15|o张甜甜、徐竟天等人为某电镀生产线设计的电镀恒温监控系统解决了原有生产线控 温精度不高且工作效率低的问题【。以PLC为控制核心的应用举不胜举，它以遍及到我 们生产生活的各个领域。本文基于S7-300 PLC控制器设计空压站恒压监控系统，充分利用PLC的控制优势， 各种单独模块的组合和扩展，对特定功能的开发与运用可实现控制策略的精准调整，其 实用的分布式结构和通用的网络能力，应用起来十分灵活。PLC控制层与上位机监控层 的完美配合满足了空压站重要变量监控的实时性要求，整

31、个系统功能完善，可靠性高。1.3课题研究意义科学技术的快速发展对工业自动化产业起到极大的积极促进作用，过去工业控制中 对现场检测的模拟量信号和数字量控制信号的处理基本都是采用继电接触式控制方式， 这种控制方式下控制器件易损坏。直至1969年PLC的出现，许多原本继电器控制的设 备被改进和替换，PLC以其高可鼎性、强大的通用性以及使用软件编程来实现各种控制 功能等多种优势逐渐取代继电器控制系统中各种功能的继电器21。如今PLC已经成为工 业应用环境中一种通用性的控制装置，是工业自动化控制技术的重要支柱。伴随PLC在工业领域中的广泛应用，空气压缩机的发展也取得了长足进步。现阶段 制造业仍然是我国国

32、民经济增长的主要动力，空压机为经济发展提供能源动力的需求， 在电力、矿山、机械制造等多个领域中发挥着举足轻重的作用。同时为响应国家节能减 排综合工作，针对空压机的控制、管理与监控方式提出进一步的改进与升级，以安全且 经济为原则制定空压机组的控制方案，最大限度的降低了企业生产成本，以满足控制要 求，达到精准控制的LI的。在减少人匸操作，提高空压站供气系统自动化程度方面建立 集中监控系统，实时动态监控系统工艺参数与现场设备运行情况。本文以某石油专用管企业空压站为研究对象，开发出基于S7-300 PLC的空压站恒压 供气自动化监控系统，该系统采用高集成度的一体化设汁及优化的控制方案，能实时全 面监控

33、站内设备及生产运行状况，动态准确地显示站内压力、流量等重要过程量，发生 故障时及时报警，提高了空压机组及辅助设备运行的可靠性。运用螺杆空圧机先进的一 体化变频电控驱动方式和空压机组协调控制策略的组合控制方案，从系统控制方案的实 施效果可以看出外送空气主管压力的波动明显减小，供气量实现了连续调节，机组频繁 加减负荷问题得到解决，减少了空压机机体的磨损，降低了运行成本和配件费用，整个 空压站供气系统的工作效率大幅度提升。1.4论文研究内容针对某石油专用管企业空压站，设计开发出一套适用于生产需要的、稳定高效的空 压站监控系统，主要工作分章节完成。第一章绪论：分析课题研究的背景，介绍了螺杆空压机的发展

34、历程、空圧机的常用 控制方式及空压站监控系统发展现状，总结本课题研究意义。笫二章概述空压站现场基本情况，分析空压站工艺流程，统讣现场需要监控的变量 并分析监控系统建设需求，设计空压站监控系统架构，最终制定出空压站恒压供气控制 方案。笫三章提出变频调速系统的模糊自整定PID算法，设计模糊自整定PID控制器并 使用MATLAB软件建立系统仿真模型，对仿真结果进行分析总结。笫四章空压站监控系统的硬件设计，对系统内使用的主要硬件设备进行选型和性能 参数简介，完成控制系统硬件连接。第五章空压站监控系统软件总体设计，使用STEP 7软件进行空压站PLC的硬件组 态和程序编写。应用WinCC V7.3软件设

35、计上位监控程序，WinCC flexible 2008软件实 现触摸屏程序开发。最终通过现场调试和通信设置实现监控系统各设备间的通信。笫六章结论与展望，总结本论文主要完成的工作，提出本空压站监控系统设计有待完 善之处。第二章空压站监控系统总体方案设计2.1空压站工艺概况及系统需求分析2.1.1现场情况概述某石油专用管企业是一家以钢管制造、钢管防腐和辅料加工等于一体的知名企业。 公司下设徹锻、热处理等钢管制造加工厂，配有水处理站、设备动力部、供配电站等多 个部门。本文以石油专用管生产过程主要的动力供给空压站为研究对象，现对站内设备 组成及功能进行介绍，站内布置图如图2-1所示。图2-1空压站现场

36、布置图现场设置5台螺杆空圧机并配备相应的后处理设备，螺杆空压机组山螺杆压缩机主 机、电动机以及气管路、水管路等组成。其中1、5号为寿力变频螺杆空压机，单台处理 流量为20 /min （标态）,电机通过弹性联轴器直接驱动阳转子，其余2、3、4号为美 国寿力LS25S系列空压机，单台处理流量为40 zn3/min（标态）,排气压力0.85Mpa。空 压机内置油气分离器，正常情况下，前4台空压机运行，5号空压机作为备用。各台空 压机均配套冷冻式空气干燥装置（简称冷干机），冷干机与空圧机是机电一体化成套设 备，主要用于分离压缩空气当中气态的水分，空压机和干燥装置由自带控制装置监控， 其余过程参数的监视

37、和报警山PLC控制系统完成。冷却水循环系统负责向空圧机和冷干 机等输送合格的冷却水，空圧机冷却水循环系统现场布置图如图2-2所示。其它设备包 括压缩空气储气罐、过滤器等。图2-2空压机冷却水循环系统现场布置图2.1.2空压站工艺流程空压站工艺流程图如图2-3所示，首先在启动空压机系统前应先启动冷却水系统， 冷却水系统为空压机组和冷干机输送合格的冷却循环水，冷却润滑油从而冷却空压机， 用于降低空压机的排气温度。随后启动空压机，空气通过空气滤清器进入喷油螺杆空压 机气缸与缸内喷入的油相混合，在齿槽间被有效地压缩。油附着在转子齿槽表面可避免 金属间的直接接触，有效的密封了转子间隙并吸收大部分的压缩热

38、量。压缩后的油气混 合物在油气分离器中被分离为油和压缩空气，压缩空气先经后冷却器冷却降温再接入冷 冻式空气干燥装置进行除水，最后经除尘过滤器对其进行净化，使压缩空气满足以下要 求：压力露点：-20C；灰尘粒径：1111；灰尘含量：lmg/ nt :油含量：WO.lmg/， 最终净化后的压缩空气输送给各用气单位。圧缩主视空汽罪睛3电动机4*后冷却醤岀水苣I空气圧缩机图2-3空压站工艺流程图2.1.3空压站监控系统建设需求分析根据厂内所有气动设备的用气情况及空压站监控管理现状，确定该石油专用管企业 空压站监控系统建设需求。1）站内数据检测与存储空压站内设备的正常运转是为全厂用气单位提供合格生产用气

39、的询提，需要采用具 备数据远传功能的检测仪表对空压机组、后处理设备及电机等的重要参数进行实时检测 与传送。主管压力、各台空压机出口空气温度及高压柜状态等等所有数据需每分钟检测 一次，数据定时存储与备份为变量报警与数据分析提供保障。2）供气压力控制需求供气压力往往直接或间接影响着工厂生产产品的质量，一些生产工艺对压力非常敬 感，因此空圧站外送空气主管压力的控制尤为重要。根据各厂部实际压力需求设置给定 压力值，需采用恰当的控制策略并通过控制器对动力供给空压站的主管供气压力进行控 制。3）生产过程动态监控替代人工现场巡视与操作，建设中央监控室对站内设备运转情况和生产过程远程实 时监控，根据生产需求远

40、程控制设备启停，避免人工误操作，及时发现设备报警及故障， 确保动力供给安全、稳定、高效的进行。2.1.4监控变量分析与统计对空压站现场情况和工艺流程了解清楚后，分析站内具体设备的哪些参数需要监控， 统讣被监控量的个数。现场监控对象包括空压机、电动机、干燥器、变频器、冷却水主 管和压缩空气主管等，区分各被监控量的显示、累积、报警等基本功能。通过实际现场 计算，统计绘制系统监控变量统计表如表2-1所示。空压站系统需要监控的模拟量输入 与输出点数总计57个，数字量输入和输出点数共66个。表2-1系统监控变呈统计表监控点类别监控物理竝监控点数输入偷出信号-温度36420mAAI压力12420mA流量7

41、420mAAO变频器调速控制2420mA空压机状态320, 24VD1变频器状态40, 24V电笛10, 24V空压机远控启/停50, 24VDO高压开关柜合、分闸120, 24V变频器启、停、故障复位60, 24V软启动器启、停60, 24V2.2空压站监控系统总体设计2.2.1系统设计依据根据设备厂提供的空压机和其他辅机设备资料，整个系统设讣必须符合相关技术标 准和规范的最新版本。设计依据来源于（1）国家标准压缩空气站设计规范。（2） 电气装置安装工程施工及验收规范1,81（3）工业自动化仪表工程施工及验收规范 等。2.2.2空压站监控系统架构监控系统设计时应当从实际工程应用出发且要符合工

42、业现场要求，开发的监控系统 需具有安全性和稳定性。通过对空压站现场设备分布和工艺流程的考察，确定讣算机资 源与现场空压站之间需保持一定的距离，空压站监控系统采用三层构架形式，如图2-4 所示，分为上位机监控管理层、PLC釆集控制层和设备检测执行层3】，通过分布式控制方式，以提高响应速度并降低通信代价。触摸屏1ET200M触摸屏2ET200M图2-4窒压站监控系统总体架构1C整个监控系统形成两极网络控制体系，两台监控计算机作上位机，一主一备，主机 出现故障时自动切换到备用机上，使用工业以太网连接到交换机与控制层PLC进行通 信，工程师站用于PLC组态信息和程序的下载。控制层主站PLC基于PROF

43、IBUS-DP 网络与ET200M分布式从站建立连接，负责釆集、处理及上传来自现场的数据。触摸屏 连接到PROFIBUS DP网络中，就近对现场设备监视与控制。中央控制室计算机操作站和安装在现场的触摸屏组成人机交互系统实现整个空压站 系统的监控管理功能。主站PLC和ET200M从站构成系统控制层，主站PLC安置于中 央控室内，远程I/O站控制柜位于现场靠近空压站，负责将现场过程数据实时上传至中 央控制室及触摸屏。现场检测仪表和执行器组成系统的检测执行层，其主要任务是进行 参数动态检测和对设备的运行控制。整个系统的I/O点数预留15%,以备系统扩展时需 要。2.3空压站恒压供气控制空压站恒压供气

44、控制系统由空压机、PLC、变频器、电动机以及软启动器等设备构 成。其控制结构图如图2-5所示，恒压供气控制是在变负荷生产工况下，根据传感器检 测的实际主管压力值，山PLC控制器计算输出控制信号作用于变频器来调节单台空压机 的转速，实现对主管压力的小范圉控制。当主管压力要求超出变频器自动调节范圉时， 一台变频运行的空压机已无法满足供气压力需求，需要启动或停机其他工频空压机来维 持供气压力恒定，本设计中采用协调控制策略通过PLC编程实现工频空压机组的智能启停。 空圧站恒压供气控制方案就是变频控制和空压机组协调控制相组合的一种控制策略。总电源开关图2-5空压站电机控制结构图11空压站恒压供气控制方案

45、的实现，III S7-300 PLC通过模拟量调速方式控制现场变频 器来调节1号或5号空圧机电机的转速，断路器起到控制和保护变频器的作用，5号空 压机作为备用。同时PLC在协调控制程序作用下通过控制继电器JI、J2、J3来控制2、 3、4号空压机的联动启停，当JI、J2、J3分别得电时对应电机的软启动器运行，相应的 工频2、3、4号电机启动带动空圧机工作。变频器和继电器不仅受PLC控制，同时也受 触摸屏和上位机的控制，触摸屏和上位机除了显示当前空压机组工作状态，还可以调整 PLC内部程序中的数据以及发号操作指令等】。系统投入运行后，PLC即根据反馈的主管压力值循环调用变频自动控制和协调控制 功

46、能从而实现空压站恒压供气控制。2.3.1恒压供气PID闭环控制方案钢管厂对生产用气实时性要求较高，工厂在满足用气量的同时期望减小系统调节时 间，降低供气压力波动，使外送空气主管压力总能稳定在设定压力值。由于被控对象空 压机运行过程具有一定程度的时变性和非线性，一组固定PID参数的传统PID控制器已 远远不能满足控制系统的要求。为此，方案制定时将模糊自整定PID控制算法引入变频 自动控制中，基于模糊规则设讣模糊自整定PID控制器对传统PID控制器的比例、积分、 微分参数进行实时优化。恒压供气PID闭环控制思想为：现场压力传感器检测主管压力并转换成420mA的 电信号传送给PLC, III PLC

47、内部控制程序完成输入信号采样，调用并执行模糊控制功能 生成最终的控制信号u,经由PLC的模拟量输出模块转换后去控制变频器，从而调节空 压机的转速。当主管压力需求超出变频器调节范圉时，PLC会执行协调控制策略输出开 关量控制启/停工频空压机和投入工作的空压机台数0】。空压站恒压供气闭环控制结构图 如图2-6所示，系统通过PID闭环控制，维持外送空气主管压力在设定压力值，整个控 制系统操作简便，恒压供气控制效果显著GJ图2-6空压站恒压供气闭环控制结构图2.3.2空压机组协调控制策略变负荷工况下生产用气量不断变化，空压站外送空气主管压力随之发生波动，在变 频自动控制方式下若主管压力达到稳定时仍不能

48、满足设定压力要求，此时就必须启动或 停止工频空压机来保障系统供气压力231。本系统通过协调控制策略来联动控制5台空压 机的启停以满足供气压力要求，空压机组协调控制流程图如图2-7所示。图2-7空压机组协调控制流程图空压机组协调控制过程为：系统投入运行后，首先启动1号空压机，电机启动稳定 后，系统通过变频自动控制调节变频器输出从而控制空压机转速，现场传感器不断检测 外送空气主管压力并传送给PLC,在变频自动控制下主管圧力达到稳定时，如果设定值 压力与主管实际压力值的差值（即压力偏差）大于0.05MPa,即压力偏差已超出变频器 可调范圉，此时需要再启动一台工频空压机，启动前必须退出模糊控制并降低变

49、频器输 出至4mA以减小启动时对系统造成扰动并防止启动过程中主管压力超出上限，紧接着以 软启动方式启动2号工频运行空压机，在2号空压机启动完成后，变频自动控制乂重新13 调节变频器输出频率，直至外送空气主管压力达到要求。依照上述控制策略，根据压力 偏差可依次启动3、4号空压机以满足供气压力需求。同理，在变频自动控制下主管压力 达到稳定时，若设定压力值小于主管实际压力值的0.05Mpa以上，则退出模糊控制并将 变频器输出调至20mA （防止停机过程主管压力超出下限），按照“先开后停”原则， 先停止4号工频空圧机，然后系统在变频自动控制方式下乂重新调节变频器输出使主管 压力不断趋于设定值。根据压力

50、偏差可依次停3、2号空压机，最后停1号变频运行空压 机，直到满足现场供气压力要求。为了避免控制切换过于频繁，且防止切换过程造成过 大的振荡，系统规定协调控制启停工频空压机过程中必须退出模糊PID控制。2.4本章小结本章对空压站现场情况进行阐述，介绍了空压站工艺流程，统计现场需要监控的变 量数，分析空压站监控系统建设需求并设汁监控系统总体架构，最后制定出变频自动控 制和空压机组协调控制相结合的空压站恒压供气控制策略。本章提出的控制方案是系统 控制功能实现的依据。14第三章模糊自整定PID控制方案设计3.1控制算法的选择空压站外送空气主管压力的大小由空压机产生压缩空气的能力决定，并受生产车间 用气

51、量的影响，山于钢管厂用气车间有数条流水线且工作状况不尽相同，且要处理的管 件尺寸不一，对用气的需求量就不同。在工厂变负荷的生产状况下，主管压力是一个典 型的非线性变化量，同时考虑到供气设备及环境变化和生产工艺对供气压力实时性的要 求，对比传统PID控制方法，模糊自整定PID控制算法在变频调速系统中的应用会提高 整个系统的可靠性，使系统具有较好的动态响应品质和更好鲁棒性【2引。3.2模糊控制基本理论在实践应用中，技术娴熟的工程人员对于一个复杂过程往往能够凭借自身实践经验 采取恰当的方式来巧妙地控制。山此人们产生了模拟人脑的思维方法设讣控制器来控制 复杂系统的想法，于是将实践中熟练操作员的丰富经验

52、加以总结并通过语言描述出来， 便产生了定性的、不精确的规则，再借助模糊数学将它们定量化，就转化成了模糊控制 算法，形成模糊控制理论。模糊控制(Fuzzy Contro 1)理论实质上就是在控制方法上应用模糊集合论、模糊语言 变量及模糊逻辑推理的知识来达到模拟人脑思维方法的效果，通过讣算机实现与操作者 相同的控制作用QI。3.3模糊控制器3.3.1模糊控制器基本结构模糊控制器(Fuzzy Logic Controller, FLC)是整个模糊控制系统的核心，它主要由 模糊化、知识库、模糊推理和清晰化4个部分组成，图3-1画出模糊控制系统的结构， 框内表示模糊控制器【261。图3-1模糊控制系统基

53、本结构图1）模糊化环节：接受输入变量和被控系统的输出变量，同时对偏差e和偏差变化率 ec进行论域变换，再将原本精确的输入量模糊化处理变成相应模糊集合表示的模糊量。2）知识库：包括数据库和模糊控制规则库，它们搜集的是控制领域专家的知识和经 验等，涵盖了工程应用中的相关知识和要求的控制U标。数据库主要是为语言变量的论 域离散化和隶属函数提供必要的定义，规则库包含一系列用模糊语言变量表示的控制规 则。3）推理机：控制器的核心组成部分，它基于模糊控制规则对模糊化环节生成的模糊 量进行模糊推理从而求解模糊关系方程，以获得模糊输出。4）清晰化环节：主要用于将模糊控制量清晰化处理后变换为表示在论域范围内的清

54、 晰量，最后通过尺度变换转变为实际的控制量I】输出127卜3.3.2模糊自整定PID控制器实际使用中为了能简易且快速的实现模糊控制器功能，在常规的模糊控制系统中常 采用二维模糊控制器的形式。这种二维形式的模糊控制器的输入是系统的偏差和偏差变 化率，因此具有与传统比例-微分控制器类似的控制作用，在这种二维模糊控制器作用下 系统在响应速度、抑止超调等方面相较传统PID控制作用下都有了较大提高，但稳定性 和抗干扰性却常常不能达到满意效果，系统的静态误差很难消除。因此加入模糊积分单 元，本课题中选用模糊自整定PID控制器，在传统PID控制器上加入模糊控制环节，通 过模糊规则及时自调整控制器的PID参数

55、，达到改善被控系统的动、静态性能的L1的El。 其结构图如图3-2所示。16图3-2模糊自整定PID控制器结构图模糊自整定PID控制器工作的实质就是依据受控系统的响应在采样时刻的偏差e和 偏差变化率ec来确定参数调整量kP、Aki、Akd的值。在空压站恒压供气系统中模糊PID 控制器依据模糊控制原理山偏差e和偏差变化率ec计算输出参数调整量AkP. Alq. Akd， 然后与传统PID的三个参数0、Ki、Kd相加，对其进行在线调整，满足在不同e和ec 时系统对控制器参数的不同要求【291。3.4模糊自整定PID控制器的设计空压站压力控制模糊自整定PID控制器的结构确定为两输入三输出形式，其设计

56、过 程分为以下六个步骤叭1）定义输入、输出语言变量被控量外送空气主管压力的偏差e和偏差的变化率ec定义为模糊控制器的输入语言 变量E和EC,输出量血仏4从1为模糊控制器的三个输出语言变量Kp、AKMKiPU。 这样，就为空压站恒压供气系统确定了一个两输入三输出形式的模糊控制器。根据工作人员对实际系统的现场控制经验，确定压力偏差e的基本论域为-0.2,0.2, ec的基本论域为卜0.02, 0.02o输岀量Akp基本论域为0, 48： Aki基本论域为0, 9： Akd 基本论域为0, 0.6。2）划分语言变量的模糊论域及模糊语言值nech语言变量E和EC的模糊论域在本设计中设置为-6, -4, -2, 0, 2, 4, 6离散论域。 在实际空压站供气系统中，获得的压力偏差值e般不是模糊论域中设置的元素，需要 将实际量e和ec乘以相应的量化因子将它们从基本论域变换到相应的