第一章 緒 論

1.1 本課題的研究背景和意義

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，空氣壓縮機行業(yè)取得了長足的發(fā)展。對于多數(shù)企業(yè)而言，空壓站在前期的設(shè)備購置以及后期的保養(yǎng)和維護方面，投入都是比較大的。加上空壓機本身的能耗非常大，因此在空壓機的控制方式上就要更加科學(xué)[4]。國內(nèi)外各大品牌的空壓機均具備獨立的控制器，可以通過控制器對空壓機實現(xiàn)控制。同時，隨著空壓機技術(shù)的不斷進步，也使得空壓機的控制器開放性更強，可與外部模塊進行通訊，這就為空壓機的聯(lián)動控制奠定了良好的硬件基礎(chǔ)。空壓站是大型制造企業(yè)不可或缺的環(huán)節(jié)，其產(chǎn)生的壓縮空氣用途廣泛且廉價[5]。但是空壓機的功耗較大，如一臺出氣量 50m3/min 的空壓機，工作功率一般在 200-300kW，這樣空壓機運行一小時，要消耗掉 200-300 度電。隨著科技的快速發(fā)展以及國家關(guān)于節(jié)能減排的要求，越來越多的高能耗企業(yè)都在尋找給企業(yè)節(jié)能降耗的途徑。加之近年來，德國提出了工業(yè) 4.0 的概念，旨在提高制造業(yè)的自動化程度，以節(jié)省人力物力和資源。而空壓機作為各大制造業(yè)的高能耗設(shè)備，占企業(yè)能耗的絕大部分。壓縮空氣設(shè)備能耗這個環(huán)節(jié)的高投入無疑增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本。

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1.2 空壓站概述

空壓站作為企業(yè)的核心環(huán)節(jié)對企業(yè)的生產(chǎn)起著舉足輕重的作用，并且逐漸滲透到各個制造行業(yè)�？諌赫镜恼＿\轉(zhuǎn)是保證產(chǎn)品質(zhì)量及安全生產(chǎn)的重要前提。在空壓站的壽命周期費用中，動力費用所占比例最大，一般超過壽命周期總費用的 30%。隨著科技的發(fā)展對空壓站的功能要求也越來越高，建立現(xiàn)代化的空壓機站監(jiān)控系統(tǒng)非常重要[6]。圖 1.1 所示為常用空壓站設(shè)備的布局圖�？諌赫緝�(nèi)主要包括數(shù)臺空壓機、冷干機、水泵以及冷卻塔等設(shè)備[7]。由于壓縮空氣在管路中輸送時，會產(chǎn)生壓力損失，因此空壓站內(nèi)設(shè)備布局較為緊湊并且減少氣路中的拐角，以減少壓縮空氣的壓力損失[8]。

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第二章 高效空壓站監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 空壓站的構(gòu)成

本課題所研究的空壓站氣路結(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示，其中包括 6 臺空壓機、6 臺冷干機、3 個儲氣罐、4 臺變頻水泵、3 臺風(fēng)機等。空壓機產(chǎn)生壓縮空氣，儲存至儲氣罐內(nèi)，儲氣罐除了可以儲存壓縮空氣，還可以減緩由于用氣車間用氣量變化而產(chǎn)生的壓力劇烈波動，達到一定的穩(wěn)定總管壓力的作用，冷干機負責(zé)處理壓縮空氣，使其變得更干燥。其中所有設(shè)備的啟停均由監(jiān)控系統(tǒng)進行控制。

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2.2 空壓站監(jiān)控系統(tǒng)功能概述

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)要求以及現(xiàn)場的實際情況，監(jiān)控系統(tǒng)選用 CPU 315-2DP為控制器，與 CP 341-RS232/485 通訊模塊和其他輸入輸出模塊共同構(gòu)成系統(tǒng)的PLC 主站[24]。空壓機、冷干機作為從站，通過 Modbus 方式與 S7-300 PLC 進行通訊，水泵系統(tǒng)作為從站，通過 Profibus-DP 方式和 PLC 主站之間進行通訊。PLC模塊通過以太網(wǎng)連接控制室內(nèi)的工控機，方便操作人員遠程控制，電器柜中的 IO模塊負責(zé)空壓機、冷干機、冷卻水泵以及冷卻塔的控制，水泵為空壓機和冷干機提供冷卻水，冷卻塔給冷卻水降溫。

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第三章 空壓站監(jiān)控系統(tǒng)中參數(shù)自整定模糊 PID 控制方法................20

3.1 空壓站監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型...................20

3.2 模糊 PID 控制簡介及各參數(shù)對監(jiān)控系統(tǒng)控制特性的影響................21

第四章 空壓站監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)...................36

4.1 空壓站硬件結(jié)構(gòu)的實現(xiàn).................36

4.2 循環(huán)控制程序的實現(xiàn)...............37

第五章 程序調(diào)試與運行果...............47

5.1 控制程序調(diào)試與完善................47

5.2 人機界面設(shè)計................48

第五章 程序調(diào)試與運行果

5.1 控制程序調(diào)試與完善

根據(jù)實際運行情況，對壓力變化與對應(yīng)的時間參數(shù)進行調(diào)整修改，以保證調(diào)節(jié)精度達到最高。由于車間用氣量不穩(wěn)定，因此有時出現(xiàn)啟動多臺空壓機，待壓力達到最高時又卸載多臺的現(xiàn)象，這樣的現(xiàn)象主要由于邊加載邊用氣。有時壓力上升緩慢，達到設(shè)定時間后，仍未達到最低壓力或調(diào)節(jié)壓力，則會繼續(xù)開啟或加載下一臺。壓力達到最高后，，有機器卸載，如果壓力下降緩慢，達到設(shè)定時間后壓力仍未下降至最高壓力以下，因此會持續(xù)卸載正在運行的空壓機。由此產(chǎn)生了額外的電能浪費和機器損耗。

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5.2 人機界面設(shè)計

由于人機界面是用戶控制整個空壓站的入口，因此，人機界面的美觀程度也在一定程度上影響著用戶的體驗[50]。在設(shè)計過程中，采用了較為鮮亮的色彩，同時，繪制了與空壓機主體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)相吻合的空壓機原理圖，并在關(guān)鍵數(shù)據(jù)位置標注數(shù)據(jù)值，實時顯示該處數(shù)據(jù)的值。同時，在空壓機運行時，模擬氣流的路線，使得效果更加生動[51,52]。

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結(jié)論

空壓機行業(yè)的發(fā)展可謂日新月異，因為其功率之大，使得企業(yè)對空壓站運行的高效性尤為重視。因此，空壓站監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)劣將直接影響空壓站的能耗。本文所研究的高效空壓站監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合 PLC 技術(shù)，具有穩(wěn)定性好、安全性高、節(jié)能性強等諸多優(yōu)點。提高了空壓站的自動化程度的同時，可以提高設(shè)備的利用率并提高整個空壓站的壽命，綜合節(jié)能 20%，實現(xiàn)了真正意義上的高效監(jiān)控。同時，也為企業(yè)節(jié)約了一定的人力成本與管理成本，由此可看，本監(jiān)控系統(tǒng)有一定的發(fā)展前景。

參考文獻（略）