CN202690447U - 风冷螺杆空压机智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种风冷螺杆空压机智能控制系统，它连接空压机系统及用户集控系统，包括PLC可编程控制器、风机变频器、温度传感器、压力传感器以及触摸屏。温度传感器和压力传感器通过屏蔽电缆连接四路模拟量输入模块，再连接CPU中央控制器。PLC连接四路模拟量输入模块，第一路模拟量输入模块通过屏蔽电缆连接风机变频器，变频器连接空压机系统的风机马达，第二路、第三路模拟量输入模块分别连接压缩机机组保护装置，第四路模拟量输入模块连接压缩机马达。本实用新型实现了可设定的用户压力控制，冷却风机的PID闭环控制，手动和自动控制功能的切换，控制参数可在显示屏上进行设置，测量参数及报警参数在显示屏上显示等通讯符合标准通讯协议要求等功能。

Description

风冷螺杆空压机智能控制系统

技术领域

本实用新型涉及螺杆压缩机的智能控制系统，具体地说是涉及一种可编程控制（PLC）和人机界面（HMI）的风冷螺杆空压机智能控制系统智能自动控制系统。

背景技术

由于压缩空气在工业领域中的广泛应用，空压机成为工业部门流动过程中必不可少的关键设备，它不仅可以为仪表、自动化设备供给其所需压力的空气，而且可以为分离设备供给其所需的原料空气；与此同时，空压机还是高能耗设备，其耗电量可达我国总发电量约15%。随着全球性能源危机的到来，世界各国政府都在为实现其可持续的经济发展而积极推动能源的节能技术，其中压缩空气系统得到了广大的关注。

传统的螺杆式压缩机通常如采用风冷形式的，一般功率只能做到250KW。在一些大型的矿山、电厂、化工行业，由于缺水，通常需要采用风冷，而其用气量非常大，越来越需要315KW-500KW的大型螺杆风冷压缩机。但由于中国地域很大，环境温度在南方北方、冬天夏天的温差很大。为了保证南方夏天避免因排气温度过高而导致故障报警停机，对冷却器、冷却风机往往配置得比较大，风机只有开与关两种状态，不能根据排气温度实际情况调整输出功率，浪费了能源；并且空压机基本都用传统的专用控制器，此控制器测量和控制点非常有限，无法对马达和空压机工艺流程中所有的细节测控点都纳入控制系统之中，给空压机系统带来很多故障隐患，增加了故障停机的可能性，也给用户用气带来诸多不稳定因素，如由于供气不足而带来了经济损失。

另外，传统的控制器程序固化，硬件生产完全和其固化的软件一致，致使硬件和软件版本非常多，无法按用户要求增加控制功能，给设计控制系统带来很多不便，这样只能用增加线路的复杂性来满足部分控制要求，严重增加运转中控制系统线路部分的故障几率，给维修维护带来诸多不便。

基于以上的技术和控制方式，传统的空压机控制系统对于严寒环境的空压机机组，长期暴露于大气中的冷却器过度冷却，其中的润滑油粘度过高，机组启动时冷却器里的润滑油不易流动，从而使机头的喷油量过低，启动完成后的机组加载导致机头高温报警停机。

有鉴于此，寻求一种螺杆空压机智能控制系统成为该领域技术人员的追求目标。

发明内容

本实用新型的任务是提供一种风冷螺杆空压机智能控制系统，它克服了现有技术的困难，具有可设定的用户压力控制，风机实现闭环变频控制（PID），根据排气温度的高低和目标温度的设定，调整输出功率，节约了能源。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种风冷螺杆空压机智能控制系统，它连接空压机系统及用户集控系统，所述智能控制系统包括PLC可编程控制器（1）、风机变频器（2）、温度传感器、压力传感器以及触摸屏（3）；

所述PLC可编程控制器（1）包括电源、CPU中央控制器、扩展模块以及9针RS485通讯口，所述9针RS485通讯口通过通讯电缆与用户集控系统连接；

所述温度传感器和压力传感器通过屏蔽电缆连接四路模拟量输入模块，再通过扁平电缆连接CPU中央控制器；

所述PLC可编程控制器（1）按序连接四路模拟量输入模块中的第一路模拟量输入模块（41）、第二路模拟量输入模块（42）、第三路模拟量输入模块（43）和第四路模拟量输入模块（44）；

所述第一路模拟量输入模块（41）通过屏蔽电缆连接风机变频器（2），变频器（2）连接空压机系统的风机马达（11），所述第一路模拟量输入模块（41）又连接空压机系统的压缩机机组保护装置（12）；

所述第二路模拟量输入模块（42）通过屏蔽电缆连接空压机系统的压缩机机组保护装置（12），所述第二路模拟量输入模块（42）又连接空压机系统的压缩机马达（13）；

所述第三路模拟量输入模块（43）通过屏蔽电缆连接空压机系统的压缩机机组保护装置（12），所述第三路模拟量输入模块（43）又连接空压机系统的压缩机马达（13）；

所述第四路模拟量输入模块（44）通过屏蔽电缆连接空压机系统的压缩机马达（13）；

所述触摸屏（3）通过通讯电缆连接PLC可编程控制器（1）。

所述第一路模拟量输入模块（41）与变频器（2）之间设置温度信号反馈。

所述第一路模拟量输入模块（41）与压缩机机组保护装置（12）的连接中间设置压力信号测量点。

所述第二路模拟量输入模块（42）与压缩机机组保护装置（12）的连接中间设置压力信号测量点。

所述第二路模拟量输入模块（42）与压缩机马达（13）的连接中间设置压力信号测量点，所述第二路模拟量输入模块（42）与压缩机马达（13）之间同时设置马达三相电流信号反馈。

所述第三路模拟量输入模块（43）与压缩机机组保护装置（12）的连接中间设置排气-系统-喷油温度信号测量点。

所述第三路模拟量输入模块（43）与压缩机马达（13）的连接中间设置马达绕组温度信号测量点。

所述第四路模拟量输入模块（44）与压缩机马达（13）的连接中间设置马达前后轴承温度和马达绕组温度信号测量点。

所述PLC可编程控制器（1）还通过多芯控制电缆连接空压机的其他控制部分。

所述风机变频器（2）与PLC可编程控制器（1）之间为闭环变频控制。

本实用新型的风冷螺杆空压机智能控制系统同时具备节能、保护和监视等功能。本实用新型具有可设定的用户压力控制，风机实现闭环变频控制（PID），根据排气温度的高低和目标温度的设定，调整输出功率，节约了能源。

本实用新型具有特殊增加的可选功能：排除了启动时冷却器温度过低、润滑油粘度过高、机头温度过高、启动失败的可能性；按空压机工艺要求，完全实现PLC可编程控制，保护空压机机组系统和马达本身，具有手动和自动控制的切换功能，远程和本地控制的切换功能；控制参数可在显示屏上进行设置，排气压力、排气温度及喷油压力等测量参数均在显示屏HIM上显示；可按用户要求增加控制功能，达到维修维护方便快捷，减少了故障停机的可能性；稳定供气，提高生产工作效率。

本实用新型利用西门子S7-200PLC及扩展模块将空压机工艺流程中具体的测量和控制点一一纳入控制系统当中，包括空压机机组中马达的所有保护。本实用新型克服了传统空压机专用控制器中只有排气压力和排气温度测量点的缺陷，对于马达的保护也更全面，比如控制系统中通过对马达三相电流测量及标准信号的转换，实时判断马达的过载、堵转、缺相、短路及三相电流不平衡；通过对马达前后轴承温度和三相绕组温度的测量，系统准确判断测量点预警和报警停机信号。空压机机组的机械部分保护更健全，比如通过对供气压力、系统压力、喷油压力的测量，智能控制空压机工艺流程中各部分的压力，避免压力过高损坏设备和危及人员安全；通过排气温度和系统温度的测量及智能判断，提供满足用户要求的气体温度。

本实用新型的智能控制系统中空压机风冷风机为变频控制，通过调用变频器的PID闭环控制功能，实现根据空压机排气温度和喷油温度的高低以及目标喷油温度的设定，调整变频频率，改变输出功率，节约能源。智能控制系统将喷油温度的高低反馈给变频器，变频器将此温度和设定的喷油温度实时比较，实时改变变频频率和输出功率，减少了停止风机的可能性，驱动风机给空压机系统制冷，满足系统工艺中规定的温度要求。在变频器中设定的目标喷油温度，按照PID闭环控制原理及行业中不同机组大小可以适当调整高低。

本实用新型的控制系统增加了可选功能，通过环境温度或机组未启动时系统温度的测量，在严寒环境下，启动完机组后，加载一段时间同时卸载一段时间反复进行（此时间均可在触摸屏上设定），直到系统温度升高，冷却器中润滑油温度升高，喷油压力同时上升时，符合机组启动后的正常环境下的加卸载要求时，此功能结束。

本实用新型用于UD400A型风冷螺杆空压机智能控制系统。智能控制系统按空压机保护需要，分别逻辑控制每个测量点的预警和报警，预警以预警信号的形式提示用户，而不停止机组。报警保护时，机组停机，预警值和报警值的大小均可在昆仑通态彩色触摸屏上设定和改变，操作和维护方便，同时适合低温环境长时不工作机组首次启动要求。另外，本控制系统避免传统控制中风机只能根据排气温度的高低，要么开要么关，频繁启动，严重缩短了电气寿命，并且开的状态只能按额定功率全功率输出，既浪费能源又不够智能化。

本实用新型的风冷螺杆空压机智能控制系统具有以下特点：

1、MCGS彩色触摸屏主界面上实时显示所有测量点的参数，包括通过程序计算的空压机运行时间和空压机加载时间。

2、登陆密码按级别分为用户密码和厂家密码，在登陆界面选择用户或厂家，输入相应的密码可以修改用户参数和厂家参数，以改变由于机组功率大小和工况变化时的保护值。

3、界面设有手动和自动运行转换开关。选择手动时，可以手动加卸载；选择自动时，机组根据用户设定的压力上限和压力下限自动加载和卸载。

4、用户可点击用户参数设置界面左上角的维护参数预览按钮，查看润滑油、润滑脂、空气过滤器、油过滤器、油气分离器的运行时间和剩余时间，以便及时维护保养。维护保养之后，可以按清零按钮，清除此部件的运行时间清零，从零开始重新计算运行时间，等待下一次的维护保养。

5、厂家参数中除了可以设定预警报警、启动保护等参数外，还可以点击历史报警浏览按钮，查看机组运行以来发生的所有报警，可按时间检索出用户或厂家想查找的历史故障，以便维修和排除故障、分析机组的运行性能等。

6、在实时曲线界面，可以观察排气压力、排气温度、系统压力、系统温度、喷油温度等曲线的实时变化趋势，以判断机组的运行情况。

7、MODBUS通讯程序已按常规写入PLC系统，此系统可以随时通过通讯的方式接入DCS集控系统，作为子站工作，将重要参数传输到DCS系统当中；还备用了硬接线无源触点信号及远程开关量的接入，当通讯故障时可以正常启停机组及向集控系统传递机组的各种状态，比如运行信号、故障信号、预警信号等，便于操作员监控和操作。

8、具有可选功能：在不增加机械硬件的同时，克服低温环境下，启动机组时由于润滑油温度低、粘度大难流动，导致机头高温报警紧停的缺点。

附图说明

图1是本实用新型的一种风冷螺杆空压机智能控制系统具体为工频空压机智能控制系统的线路连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作详细说明。

参看图1，本实用新型提供了一种风冷螺杆空压机智能控制系统，它与空压机系统及用户集控系统连接，该智能控制系统主要由PLC可编程控制器1、风机变频器2、温度传感器、压力传感器以及触摸屏3组成。

PLC可编程控制器1包括电源、CPU中央控制器、扩展模块以及9针RS485通讯口，9针RS485通讯口通过通讯电缆与用户集控系统连接。温度传感器和压力传感器通过屏蔽电缆连接四路模拟量输入模块，再通过扁平电缆连接CPU中央控制器。

PLC可编程控制器1按序连接四路模拟量输入模块中的第一路模拟量输入模块41、第二路模拟量输入模块42、第三路模拟量输入模块43和第四路模拟量输入模块44。

第一路模拟量输入模块41通过屏蔽电缆连接风机变频器2，变频器2连接空压机系统的风机马达11，第一路模拟量输入模块41又连接空压机系统的压缩机机组保护装置12。第一路模拟量输入模块41与变频器2之间设置温度信号反馈。第一路模拟量输入模块41与压缩机机组保护装置12的连接中间设置压力信号测量点。风机变频器2与PLC可编程控制器1之间为闭环变频控制。

第二路模拟量输入模块42通过屏蔽电缆连接空压机系统的压缩机机组保护装置12，第二路模拟量输入模块42又连接空压机系统的压缩机马达13。第二路模拟量输入模块42与压缩机机组保护装置12的连接中间设置压力信号测量点。第二路模拟量输入模块42与压缩机马达13的连接中间设置压力信号测量点，第二路模拟量输入模块42与压缩机马达13之间同时设置马达三相电流信号反馈。

第三路模拟量输入模块43通过屏蔽电缆连接空压机系统的压缩机机组保护装置12，第三路模拟量输入模块43又连接空压机系统的压缩机马达13。第三路模拟量输入模块43与压缩机机组保护装置12的连接中间设置排气-系统-喷油温度信号测量点。第三路模拟量输入模块43与压缩机马达13的连接中间设置马达绕组温度信号测量点。

第四路模拟量输入模块44通过屏蔽电缆连接空压机系统的压缩机马达13。第四路模拟量输入模块44与压缩机马达13的连接中间设置马达前后轴承温度和马达绕组温度信号测量点。

触摸屏3通过通讯电缆连接PLC可编程控制器1。PLC可编程控制器1还通过多芯控制电缆连接空压机的其他控制部分。

在实际应用中，本实用新型的风冷螺杆空压机智能控制系统可由触摸屏、多芯控制电缆、PLC控制系统、PLC扩展模块、变频器以及温度、压力传感器等组成。

PLC控制系统包括电源、CPU、扩展模块以及9针RS485通讯口。用户DCS集控中心通过通讯连接9针RS485通讯口，采集所有测量及控制参数。压力、温度传感器通过屏蔽电缆连接4路模拟量输入，扩展模块之间以及扩展模块和CPU之间通过扁平电缆相连接。变频器接收来自PLC系统的空压机喷油温度信号，同时将实时运行频率反馈给PLC控制系统。触摸屏通过通讯电缆连接到PLC控制系统的通讯端口。多芯控制电缆分别连接PLC控制系统以及空压机系统。

PLC可编程控制器为西门子PLC，触摸屏为昆仑通态触摸屏，触摸屏里本智能控制系统用空压机上位程序，并装有昆仑通态软件及控制需要的应用软件，触摸屏与PLC之间通讯连接，PLC可编程控制器通讯口的定义及通讯地址，连接用户集控系统DCS通讯定义方式。

本实用新型的智能控制系统不增加机械硬件，低温严寒环境下推动空压机冷却器中润滑油流动，防止机头高温，并对应于触摸屏上的参数设置。

所用风机变频器为汇川变频器，与PLC之间闭环PID控制，连接及测量为空压机风机闭环PID控制，变频器里设置有符合本控制需要的特殊参数。

UD400A是400KW风冷空压机机组，以此为例加以说明。智能控制系统由西门子S7-200系列PLC根据供气压力的大小，按照用户设定的供气压力的上限和下限控制，当测量供气压力大于上限时，智能控制系统发出卸载信号，当测量供气压力小于下限时，智能控制系统发出加载信号。只要机组启动后，无需人员值守，便可以自动反复智能工作，以满足用户供气需要。

可选的适合严寒环境的启动功能：通过环境温度或系统温度的测量，可编程控制器PLC判断是否启用此功能，一般建议环境温度低于15℃时启动此功能，主要目的是防止冬天冷却器里面的润滑油在长时间停机时，冷却器暴露在大气环境当中，润滑油过度冷却，粘度过高，机器启动时由于油罐的压力比较低不容易推动冷却器的润滑油流动，从而使机头的喷油量过低，导致压缩机启动后自动加载会产生高温保护停机。因此设置此功能，当环境温度低于15℃时，机器启动完成后将执行加载15S，让系统压力迅速上升，然后再减载15S，让机器的温升上升减缓，循环执行，直到风机启动为止，转入正常的系统自动控制，此时的控制和非低温度环境下控制相同。

本控制系统的模拟量测量点有：供气压力信号、系统压力信号、喷油压力信号、变频器频率反馈信号、ABC相各相电流、排气温度、系统温度、喷油温度、主机马达ABC相三相绕组温度、主机马达前后轴承温度。所有模拟信号测量点均设有断线报警功能，当其一和多个信号断线或传感器损坏时，可在报警栏中显示相应的测量点的传感器断线故障。所有测量值都在触摸屏上实时显示，并且所有测量点均在厂家参数里设置预警值和报警停机值，预警时提醒用户采取措施避免不良因素的进一步增加，也避免了轻易报警停机，影响用气。但是当测量值高于报警停机值，为了保护的需要，报警栏会显示相应的报警，机组停止工作，排除故障后机组恢复工作，如果当机组长时间（此时间可以设定）不加载时机组便停止工作，等供气压力低于下限压力时，自动启动并加载供气，当机组卸载时，供气压力仍然高于压力上限一段时间时，机组则压力高延时停机。

测量点的设置即模拟量输入点设置，充分体现空压机行业的控制精髓，按照系统的工作原理：当排气压力偏高时，系统压力必然升高，各自都有预警和报警保护值的设定，既保证供气压力的需要又充分保护系统不至于压力高而损坏设备。喷油压力的设置起到了这样的作用：防止由于机组刚启动时系统内压的不足，突然加载时损坏机头。主机马达三相电流的测量保证了主机出现过载、堵转、缺相、短路及三相电流不平衡等，能及时停机而不烧坏马达。系统温度和排气温度的设置，保证机组不高温和满足用户温度要求的高压气体。主机马达前后轴承温度和三相绕组温度的测量，让马达工作于合理的温度下，不至于温度过高而损坏轴承和绕组。

在螺杆式空压机风冷机组当中，冷却风机起到关键的作用，充分冷却工作中的机械系统，满足用户要求的供气气体温度。本实用新型的冷却风机采用变频控制，和PLC系统实时信号传递，空压机机组中喷油温度的高低通过4-20mA信号的方式传递给变频器，调用变频器的PID闭环控制，在变频器中设置喷油温度的目标值，变频实时调整输出频率的大小，改变输出功率，按设定的目标温度工作，减少无用功的输出。

本智能系统的开关量输入包括：紧急停车、高压柜故障、相序保护、油冷风机过载、后冷风机过载、油过滤器压差动作、油分离器压差动作、空气过滤器压差动作、变频器故障等，结合模拟量的采集及预警和报警，做到完全保护整个空压机系统包括机械和马达等。

在实际应用中，登陆用户参数设置界面和厂家参数设置界面，设置好相应的参数，选择手动运行或自动运行，选中后，触摸屏上的对应指示灯会由蓝色转换成红色。手动运行状态下，按下启动按钮，智能控制系统在判断机组没有故障的情况下，启动机组，启动完成后，在主界面用手动加载或手动卸载按钮人工加卸载。在自动运行状况下，系统按逻辑判断及参数设置启动机组，启动完成后会依据供气压力上下限设定值，根据用气量自动地控制进气量，即打开进气阀门或关闭进气阀门。

综上所述，本实用新型的风冷螺杆空压机智能控制系统实现了可设定的用户压力控制，冷却风机的PID闭环控制，手动和自动控制功能的切换，控制参数可在显示屏上进行设置，测量参数及报警参数在显示屏上显示等通讯符合标准通讯协议要求等功能。

当然，本技术领域内的一般技术人员应当认识到，上述实施例仅是用来说明本实用新型，而并非用作对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质精神范围内，对上述实施的变化、变型等都将落在本实用新型权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种风冷螺杆空压机智能控制系统，它连接空压机系统及用户集控系统，其特征在于：所述智能控制系统包括PLC可编程控制器（1）、风机变频器（2）、温度传感器、压力传感器以及触摸屏（3）；

所述PLC可编程控制器（1）包括电源、CPU中央控制器、扩展模块以及9针RS485通讯口，所述9针RS485通讯口通过通讯电缆与用户集控系统连接；

所述温度传感器和压力传感器通过屏蔽电缆连接四路模拟量输入模块，再通过扁平电缆连接CPU中央控制器；

所述PLC可编程控制器（1）按序连接四路模拟量输入模块中的第一路模拟量输入模块（41）、第二路模拟量输入模块（42）、第三路模拟量输入模块（43）和第四路模拟量输入模块（44）；

所述第一路模拟量输入模块（41）通过屏蔽电缆连接风机变频器（2），变频器（2）连接空压机系统的风机马达（11），所述第一路模拟量输入模块（41）又连接空压机系统的压缩机机组保护装置（12）；

所述第二路模拟量输入模块（42）通过屏蔽电缆连接空压机系统的压缩机机组保护装置（12），所述第二路模拟量输入模块（42）又连接空压机系统的压缩机马达（13）；

所述第三路模拟量输入模块（43）通过屏蔽电缆连接空压机系统的压缩机机组保护装置（12），所述第三路模拟量输入模块（43）又连接空压机系统的压缩机马达（13）；

所述第四路模拟量输入模块（44）通过屏蔽电缆连接空压机系统的压缩机马达（13）；

所述触摸屏（3）通过通讯电缆连接PLC可编程控制器（1）。

2.根据权利要求1所述的风冷螺杆空压机智能控制系统，其特征在于：所述第一路模拟量输入模块（41）与变频器（2）之间设置温度信号反馈。

3.根据权利要求1所述的风冷螺杆空压机智能控制系统，其特征在于：所述第一路模拟量输入模块（41）与压缩机机组保护装置（12）的连接中间设置压力信号测量点。

4.根据权利要求1所述的风冷螺杆空压机智能控制系统，其特征在于：所述第二路模拟量输入模块（42）与压缩机机组保护装置（12）的连接中间设置压力信号测量点。

5.根据权利要求1所述的风冷螺杆空压机智能控制系统，其特征在于：所述第二路模拟量输入模块（42）与压缩机马达（13）的连接中间设置压力信号测量点，所述第二路模拟量输入模块（42）与压缩机马达（13）之间同时设置马达三相电流信号反馈。

6.根据权利要求1所述的风冷螺杆空压机智能控制系统，其特征在于：所述第三路模拟量输入模块（43）与压缩机机组保护装置（12）的连接中间设置排气-系统-喷油温度信号测量点。

7.根据权利要求1所述的风冷螺杆空压机智能控制系统，其特征在于：所述第三路模拟量输入模块（43）与压缩机马达（13）的连接中间设置马达绕组温度信号测量点。

8.根据权利要求1所述的风冷螺杆空压机智能控制系统，其特征在于：所述第四路模拟量输入模块（44）与压缩机马达（13）的连接中间设置马达前后轴承温度和马达绕组温度信号测量点。

9.根据权利要求1所述的风冷螺杆空压机智能控制系统，其特征在于：所述PLC可编程控制器（1）还通过多芯控制电缆连接空压机的其他控制部分。

10.根据权利要求1所述的风冷螺杆空压机智能控制系统，其特征在于：所述风机变频器（2）与PLC可编程控制器（1）之间为闭环变频控制。

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