ＨＭｌ及ＰＬＣ控制系统 基于ＰＬＣ的螺杆式天然气压缩机的设计应用 毛开清，刘志强，刘世锋，张海峰 （华菱星马汽车（集团）股份有限公司，安徽马鞍山２４３０６１） 摘 要：以安徽华菱星马汽车（集团）股份有限公司发动机试验室ＣＮＧ加气站螺杆式压缩机的自控系统为例，分 析ＣＮＧ加气站压缩机造型及其项目背景，介绍ＣＮＧ加气站罗干啥压缩机工作原理及自控方案设计与系统的应用。 关键词：ＣＮＧ加气站；控制系统；ＰＬＣ；实际设计应用 中图分类号：ＴＢ４９２ 文献标识码：Ａ ０引言 在国民经济持续快速增长的良好环境下，国内汽 车市场实现了多年的快速、稳步增长。特别是重型汽 车行业面临着比较有利的发展环境：国家扩大内需的 宏观政策、灵活的货币政策和加大基础设施建设的投 资政策，促进了重型载货汽车行业的发展；国家公路 里程和高速公路里程快速增长，公路客、货运量得到 迅猛发展．为重型汽车运输提供了广阔的发展空问： 国家公路法的实施．限制了车辆超载运行，为重型载 货汽车运输扩大了市场需求；燃油税的实施对高性能 的重型客货车辆运输促进较大，对车辆超载运输的抑 制也使市场选择重型汽车。经过几十年的发展，我国 的重型汽车生产已经颇具规模，目前有二十多个生产 厂家，年生产能力达到５０万辆以上。然而，重卡市场 在高速发展的同时．也带来了激烈的市场竞争。因此， 面对机遇如何迎接挑战，是每个企业所面临的重要课 题。 安徽华菱星马汽车（集团）股份有限公司自主开 发的天然气发动机正是基于这种背景环境下而设计 研发的．其配套建设的发动机试验室．获得了国家国 际科技合作项目的支持。 ｌ ＣＮＧ加气站概述及压缩机选型 为保护环境．合理利用能源，中国积极推进城镇 燃料天然气化工作．建成了西气东输管线、陕京管线 及建设中的“西气东输二线”等天然气管道，将推动中 国进入规模化天然气应用的新时期。天然气作为清洁 能源，在民用、工业领域及促进经济持续发展和能源 消费结构调整等方面凸显出重要作用。城市燃气成为 作者简介：毛开清（１９８４一），电气工程师，研究方向为自动 化设备应用。 收稿１５ｔ期：２０１６－０８．０２ 国家发改委规定的天然气优先利用领域，车用天然气 （ＣＮＧ）又是城市燃气重要组成部分，发展天然气汽 车，不仅是治理汽车尾气污染的有效途径，还对改变 交通能源结构．缓解成品油供应紧张局面、降低燃料 成本起到直接作用。 在国内ＣＮＧ加气站一般有两种运营模式：母子 站运营模式和标准站运营模式。从管道输送来的原料 天然气进站后，先经过滤、计量（供气单位安装），然后 进入低压脱水装置，脱去其中的水分，使其露点过到 或低于国家汽车用标准（即标准状态下一５５℃），然后 经缓冲器进入天然气压缩机。进入压缩机系统的干燥 气体．经过多级增压后，压力可达到２５ＭＰａ，气体通过 风冷却器和油水分离器后进入下一级。压缩机系统的 ＰＬＣ对整个系统进行信号采集、故障诊断、故障显示、 优先顺序控制、顺序启动／停机等全过程管理，可实现 无人值守全自动方式工作。压缩后的高压气体经过压 缩撬过滤后，通过优先顺序控制盘通向储气井、加气 机和加气柱。通过加气机实现对天然气汽车的加气， 通过加气柱实现对天然气拖车的加气。储气井分高、 中、低三组实现顺序供气来提高气体的利用率。 目前，国内使用较多的天然气压缩机主要有活塞 式压缩机和螺杆式压缩机。活塞式压缩机属于中高压 压缩机，整机效率高、气量足、可靠性高、寿命相对较 长、振动小、噪音小、排气温度低、油耗低。活塞式空压 机结构复杂、不适用低压，机组运行噪音相对螺杆式 较高，零部件容易损坏，维修频率也较高。螺杆式压缩 机整体结构全封闭、体积小、低噪音、振动小、免维护、 没有易损件、高效率、无需安装基础，运行稳定可靠， 压缩气体质量较高，更加节能。二者相比，螺杆式压缩 机相对于活塞式压缩机运行比较稳定，使用寿命较 长，零部件不易被损坏，且一次性投入后，后期维护费 用低，压缩空气质量较高，免维护，有利于工艺生产的 要求。因此，结合试验室发动机的性能参数，选择螺杆 式压缩机进行加压的方案。 自动化应用２０１６ １２期 ６８ ＨＭＩ及ＰＬＣ控制系统 ２试验室ＣＮＧ加气站项目背景 安徽华菱星马汽车（集团）股份有限公司天然气 发动机试验室项目内容包括试验楼主体、空压机房、 配电房、冷冻站房、水泵房及ＣＮＧ加气站等。其中 ＣＮＧ加气站螺杆式压缩机主要为保证试验楼内天然 气发动机试验的正常运行提供保障供气。 试验室ＣＮＧ加气站螺杆式压缩机系统设计天然 气压缩机吸气压力０．３ＭＰａ 管道设计压力０．４ＭＰａ．天 然气压缩机排气压力１．６ＭＰａ。管道设计压力 １．７６ＭＰａ。由于发动机试验工艺要求天然气压缩机站 房需给试验室发动机提供不问断供气。且由于天然气 属于可燃介质，安全控制相对比较复杂，因此，ＣＮＧ站 房的安全稳定运行与否直接关系到试验室所有发动 机试验是否正常，是整个试验室重要的关键生产部位 之一。 ＣＮＧ加气站共设计二台螺杆式天然气压缩机（一 用一备），均由交流变频器控制。通过变频器可控制压 缩机的输出压力，从而控制调节供气压力，有效避免 了以前凭经验、靠手动就地调节系统输出压力，导致 整个系统控制滞后且不精确，节能效果不大及现场操 作存在一定危险性的劣势．实现了真正意义上的远程 自动控制。管路连接上每台压缩机都配有独立的阀 门，管路经分支后汇总成一个主管。其目的是当其中 的一台压缩机或是管路发生故障时，可以继续启用其 他的压缩机，不至于供气中断，导致试验间末端发动 机停机。ＣＮＧ加气站如图１所示。 图１ ＣＮＧ加气站 ３试验室ＣＮＧ加气站螺杆式压缩机工作原 理及自控方案设计 ３．１ ＣＮＧ加气站螺杆武压缩机工作原理 螺杆式压缩机主要由机体、吸气端座、排气端座、 油缸体、排气端盖、转子、主轴承、集装式轴封、平衡活 塞、能量调节滑阀及油活塞、能量指示器等组成。油缸 体、吸气端座、机体、排气端座用螺栓和定位销联成一 体；吸气端座和排气端座上安装了主轴承，阴、阳转子 ６９ ＶｔｎＣＶＷ．ａｕｔｏ—ａｐｐｌｙ．ｃｏｍ 自动化应用 由主轴承支撑，排气端侧各装有一对角接触球轴承： 阳转子吸气端装有平衡活塞，阳转子轴伸通过联轴器 与电机相连；能量调节滑阀、油活塞通过滑阀导杆相 连和油缸共同组成能量调节机构；能量指示器安装在 油缸盖板上，与能量调节机构相连。 压缩机通过机内一对相互啮合，按一定传动比旋 转的阴、阳转子，产生周期性的容积变化，完成气体的 吸入、压缩和排出。吸入过程如图２所示，吸入结束， 压缩开始，压缩过程如图３所示。螺杆式压缩机的能 量调节通过控制能量油活塞两侧润滑油的进出．改 变其两侧的压力，带动能量滑阀在转子腔内移动，从 而改变转子的有效工作长度，实现压缩机的能量无级 调节 图２吸入过程 图３压缩过程 ３．２螺杆式压缩机控制特点 ＣＮＧ加气站内的螺杆式压缩机处在易燃、易爆、 高压和重载的工作环境中运行．装置的自动化水平直 接决定了系统经济运行的指标和安全运行的可靠性。 因此，螺杆式压缩机系统实行调试、运行自动化的控 制管理，以ＰＬＣ为核心，采用变频启动，系统油压、电 流、气压自动监控。 以往的螺杆式压缩机控制上主要采用单一的继 电器加接触器的控制方式。该控制系统控制水平低， 由人工手动控制，已经远远不能满足现有设备安全稳 定运行及发展的需要。由于试验室内发动机用气量会 根据试验工况的不同而不断变化，需不停地调整设备 的运行状态，对现场操作人员及自动化控制都提出了 更高的要求。因此，一般的ＣＮＧ加气站螺杆式压缩机 项目从投资建设初期就考虑到试验设备对ＣＮＧ加气 站供气能力的新要求，为了适应项目的此种新要求， 华菱试验室ＣＮＧ加气站螺杆式压缩机在方案设计实 施时，充分考虑螺杆式压缩机的控制系统自动化设 计．系统控制上要保证所有设备根据生产需要自动调 节和控制，实现设备的最佳运行状态，保持平衡供气， 节约电能，降低供气供电成本，确保安全生产。 该螺杆式压缩机控制台采用隔爆台，内装触摸 屏、ＰＬＣ、空气开关、交流接触器、热继电器、中间继电 器等电气元件，并由布在行线槽内的控制电缆组成一 ＨＭｌ及ＰＬＣ控制系统 个完整的控制回路 隔爆控制台与高压启动柜配合使 用，Ｉ｜『用于实现机组的启动、停止、各种压力指示、安 全保护、能量调节等功能。控制界面采用全中义显示 的触摸屏，Ｈｊ ｒ｜可操作性强，、ＰＩ Ｃ采用闭环直接数字 缩机的禁止启动信号，当压缩机故障或检修时，可防 止其他人员误操作，以保证系统安全可靠．．系统可随 时转换为Ｅ１动和于动。１一 作方式．控制柜体和触摸屏上 均设置有相 的转换开关。 矾 状 控制，可实现全过程、全自动电脑调节控制，使压缩机 控制更精确、可靠．．自动检测排气压力，通过ＰＬＣ自动 控制滑阀上卸载．在极小的压力范围内自动调节压缩 革 广 丽■］ ｌ震霜扛培自 粗收§［］亘口 《 扑 磨圜圈 排 ｔ 篷匦霞圈 橱… 龋露 ：圜 裙嗣植鬯且吼 远程 固 圆圈日 ：堪删｝ 商鼎霹 ｛｛｝＾ ｍｍ ｌ ｌ遣 ｌ ｉ。 灏琶蕊圈 气 嚣鳜蕊爵 圈 机，降低能耗、并Ⅱ，站内布置了由ＰＩ Ｃ控制的『可燃气 体报警器及切断装置，该装置与供电、供气系统形成 了闭锁关系，『Ｉ『自动停止机组运行和切断供气。 ３－３系统硬件选型 根据项目的设计要求及１：艺生产要求，结合考虑控 制系统的性价比，控制系统采用Ｓｉｅｍｅｎｓ Ｓ７—２００ＰＬＣ， ＨＭＩ为Ｓｉｅｍｅｎｓ ｌ０ 触摸屏 它取代ｒ传统的控制面 板和键盘的智能操作Ｔ具，大大减少了操作台上的开 关、按钮等，也使操作人员可以快速、直观地操作。采 用ＰＬＣ进行集中控制，控制柜电气线路简洁明了，大 图５系统控制模式 选择界面 图６手动控制 模式界面 由于试验室发动机性能开发及耐久试验１ 艺要求 相对复杂， 此，ＣＮＧ加气站螺杆式压缩机的』Ｆ常启停 直接关系到整个试验室发动机试验的正常运行与 在项目竣Ｔ渊试时，对螺杆式 缩机系统进行ｒ手动／ ［｛动加压供气试验．．试验窜选择了２个试验间进行发 动机试验，螺杆式压缩机压力设定为１．２ＭＰａ，先通过手 大降低了维护和检修难度，将事故、故障率降到最低： 采用直观的人机 示的触摸屏进行监控，实现现场的 动操作开油冷、开油泵、开主机， 』 力加载列没定值 数据交换，能在触摸屏上 示实际的吸气压力、排气 压力、增载时间、减载时间、油温值等，并进行相关吸 排气压力、增载减裁时间、油温报警值的设定等．系统 后，压缩机ｒ１动进行降频减载，避免压力继续增大 冉 通过模式选择将压缩机切换成『｛动模式。观察发现压 缩机运行平稳。分析整个试验情况得Ｈ｛：螺杆 压缩机 运行二『 况界面如 ４所示 、ＨＭＩ与ＰＬＣ的有效结合． 使得现场操作提尔、故障提示及报警、运行参数显示、 控制参数设定及设备控制和Ｉ／Ｏ状态得以有效显示 加压效果明 ，满足＿ｒ发动机性能及耐久试验的要求。 ４．２ ＣＮＧ加气站自控系统特点 （Ｉ）实行在线监控：监控系统对ＣＮＧ加气站螺 ： 式压缩机设备运行实行在线监控．并具有自诊断功 能，可实现ＣＮＧ加气站的无人值守 （２）控制灵活：可实现多种控制方式之间的切换， 湘豫＆ 艟｛ 圈 一ｒ ｈ ：＝：载化： 月 排气压力 ｂ北 电瓤岖罐 嗣＿霜簟霹 叵囊曩霜簟叠 图４系统运行工况界面 应用于不同的工作环境下。 ・般情况下，根据设定压 力自动运行，当达到设定压力时机组ｒｊ动减载 故障 检修或系统维修时，可使用手动方式运行操作。 （３）节约用电，延长设备使厢寿命：根据压力控制 原则。通过变频控制『１动实现压缩机的增载、减载Ｔ ４试验室ＣＮＧ加气站螺杆式压缩机自动化 控制应用 ４．１系统控制模式 系统控制模式分为自动、手动两种控制模式。其 模式选择界面如Ｉ刳５所示。自动时。无需人员参与。南 作，避免在 频状态下的长期大负荷加载导致用【乜量 无辜损耗、设备故障率增加情况的发生 、还可以根据 实际用气情况，及时洲整压缩机｝ｆＪ气压力上下限．避 免因用气量过大，压缩机频繁加载．从而使螺杆式压 缩机合理运行，大大延长其使Ｊ＿｝Ｊ寿命 ＰＬＣ检测吸排气压力、油温等有关信号，自动完成螺 杆式压缩机的运行；于动模式界面如图６所示。该模 ５结语 近年来，我 自动化控制技术发展迅猛，生产自 动化已成为必然趋势，听ＣＮＧ加气站数量骤增，规模 各异，形式多样。以安徽华菱星马汽车（集 ）股份有 （下转第８９页） 自动化应用２０１６ ｌ２期 ７０ 式为故障检修和 动调试时使Ｈｉ，维修Ｔ人可手动操 作压暂｝ｆ机。、Ｊ，压缩机｝｝Ｊ现故障时，全部设备均为｝动 运行，Ｉ｛１操作人员控制相应按钮完成。ＰＬＣ上设有压 传感检测及物联网系统 （４）通过ＰＣ对所有的组件进行控制，系统运行完 全自动化，也可人Ｔ干预。 （５）换站时通过程序的引导实现换站工作，经过 培训后只需一人即可完成换站工作。 （６）通过以太网交换机实现远程监控，地面办公 室计算机显示盾构姿态信息。 该导向系统具备日前市场主流导向系统性能， 具体体现在激光标靶的水平偏角测量精度为Ｉｍｒａｄ， 图ｌ０主监控界面 坡度角的测量精度为１ｍｒａｄ，滚角的测量精度为 ０．１。．全站仪的距离测苗精度为２ｒａｍ，水平和垂直角 度测量精确度为±３”，铰接油缸长度测量精度为 ０．０１Ｆｉｌｍ等。系统各部件规格及测摄精度远远满足地 铁施工测量要求。 ４结语 经过在郑州、苏州等几个 地的实际应刚证明该 系统操作简单、方便、易于维护、界面友好，现场值班 图Ｉｌ 历史数据查询界面 人员经过培训后可轻松掌握系统的操作没置。自主设 计导向系统除降低成本增强盾构整体竞争力外．还可 避免进口或者其他国内导向厂家产品经常面临的售 后服务不及时、现场支持收费昂贵等诸多问题。由于 开发应用时间还不长．该系统的部分统计分析等功能 尚不尽完善，可随着进一步的推广应川逐步完善。 参考文献 ［１］潘明华．盾构自动导向系统的研究与实现【Ｄ】．武汉：华 中科技大学，２００５ ［２】潘明华，朱国力．盾构机自动导向系统的测量方法研 在系统测试期间．通过更新数据库版本以及为数 据库增加更多限定参数的方法解决了软件长时间运 行突然崩溃闪退的问题；在系统开发前期．存在部分 特定情况下偏差精度不足的问题，经过反复核实，明 确问题出现的原因非硬件测量，而是偏差截取的算 法，因此通过优化偏差计算算法解决该问题。完善后， 系统实现了盾构施工测量的自动化，大幅度减轻现场 测量人员的劳动强度和工作压力。系统主要特点有： （１）自动测量和计算盾构机的位置，以图形和数字 的方式直观显示 究［Ｊ］．施工技术，２００５（０６）：３４—３６ ［３】贺泊宁．隧道掘进机自动导向系统的开发与应用【Ｄ】． 长沙：中南大学，２０１３ ［４】谭顺辉，孟祥波，徐受天，等．盾构监控系统人机界面组 （２）计算、显示盾构机的掘进趋势。 （３）测量数据自动保存，存储于数据库中，便于查 看 态开发［Ｊ］．隧道建设，２０１４（０４）：３８ｌ一３８６ 参考文献 ［１］ＧＢ５０１５６—２００２，汽车加油加气站设计与施工规范［Ｓ】 ［２】ＨＧ／Ｔ ２０５１ １－２００，信号报警、安全联锁系统设计规定［Ｓ］ ［３］王永华．现代电气控制及ＰＬＣ应用技术【Ｍ］．第２版．北 京：北京航空航天大学出版社，２００８ （上接第７０页） 限公司发动机试验室ＣＮＧ加气站螺杆式压缩机的自 控系统为例，做出分析总结。螺杆式压缩机中ＰＬＣ的 麻用，实现了真正意义上的无人值守．且大大减少了 现场操作人员的Ｔ作量，降低了许多故障隐患因素， ＰＩ Ｃ与变频器的结合使用使节能效果更明显，从而降 低了用气损耗和电能，降低了企业生产成本。该控制 系统任确保安全、可靠的前提下，充分考虑系统的性 价比和实效性．通过对传感器输入信号的灵敏度、监 测模拟的准确性等方面进行优化，满足了发动机试验 生产的需求 ８９ ＷＷＷ．ａｕｔｏ—ａｐｐｌｙ．ｃｏｍ 自动化应用 ｆ４】田瑞庭．常用可编程序控制器编程器及编程软件使用 手册［Ｍ】．北京：机械＿Ｔ－业出版社，１９９４ ［５】陆德民，张振基，黄步余．石油化．Ｙ－自动控制设计手册 【Ｍ】．第３版，北京：化学工业出版社，２０００ ［６］周美兰．ＰＬＣ电气控制与组态［Ｍ】．北京：科学出版社， ２００３
