S7-200 SMART PLC在空气压缩机改造项目中的应用

摘要：空气压缩机简称空压机，是一种将常压的空气进行加压处理，为其他设备提供动力的通用设备。它的构造类似于泵类设备，是将机械能转化为气体压力的供气设备。结构有往复活塞式，旋转叶片式和旋转螺杆式。螺杆式空压机因其具有可靠性高、操作维护简单方便、排气压力调节范围大、气体兼容性好、动力平衡性好等特点而具有广泛的应用。

本设计的主要目的：一是通过PLC实时监测工厂运行的工况（负荷大小）来控制空气压缩机的自动启停，达到为工厂节能降耗的效果；二是通过设计改造讲书本中的知识与实际工作紧密结合达到学以致用的目的。本设计在介绍空气压缩机基本结构的基础上，阐述了空压机的运行原理可控制原理，重点分析了如何使用S7-200 SMART PLC对三台空压机的运行状态进行自动控制。研究了PLC在空气压缩机改造项目中的实现方案。

关键词：空气压缩机；S7-200 SMART PLC；梯形图

一、空气压缩机介绍

1.1水冷式螺杆空压机的结构

阴阳转子：螺杆空压机的核心部件，由一对互相啮合的阴阳转子组成。阳转子与原动机连接，带动阴转子转动。转子的设计确保气体的吸入、压缩和排出。

轴承与密封：支撑转子高速运转，确保转子稳定运行；密封件防止气体泄漏，确保压缩效率。

散热流程：冷却水通过管路流经压缩腔和润滑油冷却器，吸收热量后进入外部冷却塔降温，冷却水循环利用。

油路循环：润滑油送至转子、轴承等关键部位，润滑油经冷却器降温，再经油过滤器净化，形成闭环。

传感器系统：实时检测压力、温度、电流等参数，数据反馈至PLC或微处理器。

操作维护方便：自动化程度高，操作人员无需长时间专业培训即可操作。维护简单，维修人员能快速定位问题并进行修复。

优势：相比于风冷式，水冷散热效率更高，适合高温、高负荷、连续运行的场所。

适应性强：具有强制输气的特点，排气量基本不受排气压力的影响，适用于多种工况。

1.2螺杆空压机的优点

1.2.1螺杆空压机的优点主要包括：

高可靠性和长寿命：螺杆空压机结构简单，运动部件较少，具有较长的使用寿命和较高的可靠性。其MTBF（平均故障间隔时间）可达4万小时，确保了螺杆空压机能够适应大多数的国内公用应用场合，稳定的运行。

低振动和低噪音：螺杆空压机的转子动平衡等级达G2.5，螺杆空压机的噪声值≤75dB（A），适合在安静的环境中使用。

高效的压缩能力：螺杆空压机的核心是通过阴阳转子的相互粘合来压缩空气，他的压缩组件容量高；然后是结构优势，螺杆空压机没有阀门，减少了机械损耗；另外它的转子外圆速度低，通常采用油冷，不仅冷却效果好，还能起到密封和润滑效果。

维护费用低：螺杆空压机的设计节省了不必要的维护费用，所有零部件均采用长寿命设计，大尺寸的进风入口过滤器、油过滤器和精细分离器三大易损件确保最佳压缩空气质量。

适应性强：这是由它的结构特点决定的，他具有灵活的设计，通过改变转子的型线或排气出口的位置，适应不同的压力需求。另外，还可以通过特殊涂层或防腐设计（如不锈钢转子）适用于腐蚀气体、潮湿环境等场合。

操作维护简单：螺杆空压机的自动化程度高，可以通过触摸屏、PLC等实现自动化控制；也可以通过组网实现远程监控。同时减少了操作人员的需求和维护工作的复杂性。

1.3 空压机设备安装技术

1.3.1 非标基础设计

案例数据：某项目空压机功率132kW，实测运行振动频率28-35Hz，超出《动力机器基础设计规范》（GB 50040）Ⅱ类设备允许值。

解决方案：采用C30混凝土基础+橡胶隔振垫（邵氏硬度65±5）组合结构，经频谱分析振动传递率降低至12%。

1.3.2 水平度控制

创新提出"三点激光定位法"，相较传统水平仪调节效率提升40%。

1.3.3 压缩空气管路安装工艺（引入残余应力控制）

管道焊接缺陷预防：采用氩弧焊打底+手工电弧焊填充工艺，通过X射线探伤发现：当层间温度控制在150-200℃时，焊缝裂纹率下降至0.3%以下。

管路应力消除：实施"预拉伸补偿法"：在DN200主管道安装时预拉0.15mm/m，运行监测显示热位移量减少62%。

1.4空压机使用中注意事项

1.4.1空气压缩机在安装前应选择合适的场所，避免处于高温、高湿、粉尘等环境恶劣场所。

1.4.2保持压缩空气储存罐的清洁，严禁在储气罐附近进行焊接、气焊作业。压力表、安全阀按特种设备管理相关规定定期检验。

1.4.3操作人员应全面了解空气压缩机及附属设备的构造、性能、工作原理和作用，做到设备管理的“三懂四会”，考核合格方可上岗作业。

1.4.4空气压缩机运转过程中，特别要关注压力表的实数，注意听设备各传动部件是否有异响，必要时可以使用听针来测听主电机轴承是否存在异常；如发现异常情况，应立即停机检查，排除故障；贮气罐内最大气压不许超过铭牌规定的压力；空压机的过滤器、贮气罐的应设置排水阀门，有的也会使用电子排放阀，定时排放，一般1-2小时排放一次，每次10-20秒，具体根据实际情况确定；操作人员应搞好机器的清洁工作，避免灰尘进入空压机的水冷、进风、油路系统。

1.4.5在清扫空压机散热片时，严禁用燃烧方法清除管道油污，应使用压缩空气吹扫、抹布擦拭等方式清扫设备；清洗、紧固螺栓、紧固皮带等保养工作必须在停机后进行；时用压缩空气吹扫时，严禁将风口对准人体或其他设备，以防伤人毁物；操作人员应对空压机的运行参数，如进出口压力、进出口水温、油温、运行时间、电压、电流、异常状况、维护保养时间、停机故障等运行数据和日常设备维护情况作详细的记录。

二、西门子S7-200 SMART PLC及其编程软件介绍

2.1西门子S7-200 SMART PLC简介

概述：SIMATIC S7-200 SMART PLC是西门子公司专为为中国客户量身定制的一款高性价比小型 PLC 产品。它具有小巧灵活、适用范围广、支持与其他PLC、触摸屏、上位机等工控设备实现通讯的能力。专为中国市场设计的S7-200 SMART PLC结构紧凑、应用范围广、组态方便灵活且它的编程软件具有功能强大的指令集，这些优势使它成为控制各种应用场所的完美解决方案。一般中小型项目自动化控制中应用较多（点位在100点以内，或者几百个点位也可以通过扩展模块来实现）。

三、空气压缩机改造项目

3.1项目背景及控制要求

某工厂有4台132kW水冷式螺杆空气压缩机（3用1备），为全厂设备提供压缩空气动力。根据生产负荷的大小，由操作人员人工启动或停止1-3台空压机。这样经常出现生产负荷小时开3台空压机，浪费能源；负荷大时，开2台空压机，车间反馈压缩空气不足。

SIMATIC S7-200 SMART根据生产负荷自动调节：当气压低于0.4MPA时，3台空压机同时工作；当气压高于0.8MPA时，3台空气压缩机全部停止工作；当气压在0.7MPA-0.8 MPA时只需要开启1台气压高于0.8MPA时空压机；当气压在0.6MPA-0.7 MPA时需要开启2台空压机；

为了工作安全，还需要设置相关的报警装置。一旦出现故障，要求立即报警；报警分为高高报警和低低报警（气压低于0.4MPA），高高报警（气压高于0.8MPA）时，要求3台空气压缩机立即断电停止工作、保障系统安全、稳定运行，同时可以通过以太网进行远程监控。

3.2硬件设计

本项目采用SIMATIC S7-200 SMART PLC，CPU选用SR20模块进行控制。现场压力信号由压力变送器采集。报警电路采用电接点式压力表+蜂鸣器。

3.3梯形图程序编辑

空气压缩机梯形图程序（略）

空气压缩机编程思路及程序解析：本程序主要分成3大部分，及模拟量信号采集程序、空气压缩机分时启动程序和压力比较程序。

参考文献

[1] 刘建民 陈建军。螺杆式空压机运行及维护技术问答。北京：中国电力出版社，2011

[2]工控帮教研组。西门子S7-200 SMART PLC编程技术。北京：电子工业出版社，2018