宋 鋼，安瑞科

（蚌埠壓縮機有限公司，安徽 蚌埠233000）

傳統(tǒng)的公頻繼電器直接控制電機啟閉的簡單供氣系統(tǒng)，電機在運行時一直處于額定運行工況，供氣系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)氣和電的巨大浪費。同時壓縮機電機在用氣負荷變換時，不能自動調(diào)節(jié)控制，常常出現(xiàn)電機空載、過載等非正常運行工況，嚴重降低了電機的使用壽命和供氣的可靠性。隨著電力電子技術的不斷成熟，利用內(nèi)置（PID）變頻器與PLC相結合形成的恒壓變頻供氣系統(tǒng)，可以根據(jù)用氣負荷的變化動態(tài)地調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，保證整個系統(tǒng)輸入輸出的實時平衡，不僅降低了系統(tǒng)的整體能耗，同時到達了節(jié)能降耗的目的[1~2]。

1 變頻恒壓供氣系統(tǒng)整體結構

PLC和內(nèi)置PID變頻器是整個控制系統(tǒng)的核心。整個變頻恒壓供氣系統(tǒng)的整體結構大致包括三大部分[3]：

（1）主電路部分。包括從主電源到壓縮機電機間的所有真空開關、接觸器、熱繼電器、起動器等元件。主電路部分主要為系統(tǒng)提供電源，是壓縮機電機工作的動力源部分。

（2）上位機PLC控制系統(tǒng)。通過PLC可編程控制器，具有對電機的起停信號的采集、系統(tǒng)預設壓力參數(shù)的設置、溫度信號的采集等功能。通過系統(tǒng)內(nèi)部自檢功能，周期性的掃描系統(tǒng)運行的整體工況，并通過故障指示報警系統(tǒng)，提醒工作人員及時排除系統(tǒng)故障。

（3）變頻調(diào)速系統(tǒng)。變頻器中包含可編程邏輯數(shù)據(jù)處理單元和PID調(diào)節(jié)器兩大結構。通過可編程邏輯單元，可以獲得變頻器起停信號、壓力的預設值；通過變頻系統(tǒng)內(nèi)部自檢功能實時掃描系統(tǒng)內(nèi)部故障，并通過相應的RS485通信協(xié)約，將故障報警信號傳輸給PLC，實現(xiàn)故障報警的動態(tài)檢測。PID調(diào)節(jié)器單元，利用遠傳傳感器將輸氣管道中的實際需氣壓力通過屏蔽通信電纜傳輸回PID調(diào)節(jié)器中，并與壓力預設值進行比較，獲得對應的頻率差信號，通過變頻器內(nèi)部觸點的調(diào)整，將電機主電源的頻率調(diào)整為實時輸氣管口需氣頻率，保證電機的輸入功率與用氣設備的需求功率平衡，從而到達根據(jù)用氣負荷波動壓力信號控制電機的轉(zhuǎn)速，來實現(xiàn)系統(tǒng)的整體供氣平衡。除上述三大部分外，恒壓供氣系統(tǒng)還包括氣位傳感器、通信電纜、氣位信號器、壓力傳感器等元件共同組成，其具體系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

圖1 變頻恒壓供氣系統(tǒng)整體結構

2 變頻器PID調(diào)節(jié)原理

為了實現(xiàn)恒壓供氣系統(tǒng)在用氣負荷波動時，能夠通過內(nèi)部自動調(diào)節(jié)而實現(xiàn)供需平衡，保證壓縮機電機高效經(jīng)濟的運行，就需要利用遠動傳感器實時采集需氣壓力信號，并通過反饋回路，傳輸給變頻器進行數(shù)據(jù)比對分析，再將內(nèi)部分析獲得的壓力偏差信號轉(zhuǎn)換為壓縮機電機調(diào)節(jié)電源頻率信號，通過控制電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)恒壓供氣的目的。具體的PID閉環(huán)控制回路如圖2所示[4~5]。

圖2 閉環(huán)PID控制回路

從圖2可看出，由于調(diào)節(jié)過程中電路元件狀態(tài)量不可能瞬時發(fā)生突變，因此恒壓供氣調(diào)節(jié)過程，實際上是一個反復調(diào)節(jié)、逐步收斂的過程。在這個收斂過程中，也是一個相互約束制約的過程。按設計思想而言，要求系統(tǒng)調(diào)節(jié)后管道內(nèi)的輸氣壓力（Of）越接近系統(tǒng)預設壓力（Tf）越好，即希望滿足Tf-Of≈0的關系式。而變頻器控制電機的頻率差，是由Tf-Of的差值轉(zhuǎn)換得到的。也就是說，直接采用Tf-Of的實際差值，作為系統(tǒng)的反饋信號時，給定電機的頻率調(diào)節(jié)差Gf就幾乎為零，也就起不到調(diào)節(jié)作用。因此，對系統(tǒng)反饋回來Tf-Of的壓力差值，應該采取放大增益措施。

（1）比例增益環(huán)節(jié)（P）。為了獲得系統(tǒng)能在進行調(diào)節(jié)的壓力差信號，利用比例增益環(huán)節(jié)將信號進行放大，然后供給變頻器進行電機電源頻率調(diào)整，所獲得的調(diào)節(jié)頻率差為

式（1）中，KP為信號的整體放大倍數(shù)，即比例增益綜合效益系數(shù)。

為了使系統(tǒng)在Tf-Of接近于零時，變頻器依然能夠調(diào)節(jié)電機電源頻率，則需要更大的KP放大信號因子。比例增益KP越大，系統(tǒng)誤差ε也就越小，但是此時系統(tǒng)的超調(diào)量就越高，從而引起被控量（此系統(tǒng)中為氣管進氣口氣壓）就會發(fā)生劇烈振蕩，而使系統(tǒng)更加波動，更難實現(xiàn)收斂狀態(tài)。因此，需要引入對應的積分約束系數(shù)，將系統(tǒng)控制在收斂時間范圍內(nèi)，而不至發(fā)生全區(qū)域振蕩。

（2）積分環(huán)節(jié)（I）。系統(tǒng)在引入積分環(huán)節(jié)后，就會將信號放大環(huán)節(jié)有效約束在預設“積分時間”內(nèi)，通過對Gf逐步的調(diào)整，防止Gf突然劇變，造成系統(tǒng)發(fā)生振蕩。系統(tǒng)積分時間設置越長，Gf的整體變化速率就減慢。但在調(diào)節(jié)過程中，如果積分時間太長，就會影響系統(tǒng)的實時動態(tài)調(diào)整特性，即一些變化快的控制量將在調(diào)節(jié)過程中出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，使得系統(tǒng)很難恢復平衡。

（3）微分環(huán)節(jié)（D）。為了保證系統(tǒng)在允許的誤差范圍內(nèi)進行有效調(diào)節(jié)，就需要在積分環(huán)節(jié)中設置一段加速調(diào)節(jié)動作時間。通過外設微分環(huán)節(jié)，將積分時間劃分為加速調(diào)節(jié)和正常調(diào)節(jié)兩部分，保證在有效調(diào)節(jié)時間內(nèi)，將系統(tǒng)調(diào)節(jié)到平衡狀態(tài)。

在圖2中，變頻恒壓供氣系統(tǒng)通過主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器相互配合，形成一個綜合調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在調(diào)節(jié)器中都裝設有對應的PID模塊，保證系統(tǒng)安全可靠運行。

3 變頻恒壓供氣系統(tǒng)軟件功能

變頻恒壓供氣系統(tǒng)，通常采用PLC和變頻器共同組合形成一個完整監(jiān)控系統(tǒng)。本次系統(tǒng)采用西門子S7-200型PLC作為整個系統(tǒng)的上位機監(jiān)控中心，并利用PLC自帶的MCGS通用組態(tài)仿真軟件，編寫相應的人性化服務窗口界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、命令的人機通信接口。

為便于運行人員能夠?qū)崟r動態(tài)地了解整個供氣系統(tǒng)的運行工況，通過MCGS仿真軟件編寫對應的仿真界面，并利用液晶顯示屏，將所有參數(shù)提供給運行人員。在人機接口的可視化系統(tǒng)中，運行人員不僅可以了解系統(tǒng)運行的基本工況，還可以通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫資源，調(diào)取壓縮機電機電壓電流、輸氣口流量、系統(tǒng)整體效率等歷史數(shù)據(jù)。圖3即為一加壓氣站恒壓供氣系統(tǒng)的人機互通主界面圖。

圖3 加壓氣站恒壓供氣系統(tǒng)主界面

4 綜合效益

利用PLC與變頻器結合形成的恒壓變頻供氣系統(tǒng)，具有較大的工程實際應用一樣，可以從以下方面體現(xiàn)。

（1）節(jié)能降耗。恒壓變頻供氣系統(tǒng)利用管道內(nèi)的需氣壓力信號與預設壓力信號與預設壓力值進行比對，獲得對于的壓力偏差信號，作為電機的直接控制信號，保證了整個系統(tǒng)的輸入輸出平衡，在保證系統(tǒng)安全可靠運行的基礎上，達到了節(jié)能降耗的目的。

（2）實現(xiàn)PID自動調(diào)節(jié)。利用內(nèi)置PID的變頻器，通過對壓力差信號的放大、微分加速、積分收斂等多個步驟，實現(xiàn)了壓力差信號的實時動態(tài)收斂調(diào)節(jié)特性，保證整個系統(tǒng)的綜合調(diào)節(jié)特性。

（3）人機化互通界面。采用MCGS通用組態(tài)仿真軟件，形成了整個供氣系統(tǒng)的可視化仿真界面，不僅提高了運行人員的整體工作效率，同時通過計算機自動進行故障預測判斷，提高了故障處理速率，保證了系統(tǒng)的整體運行特性。

5 結束語

利用PLC與內(nèi)置PID變頻器相結合，組合成具有自動檢測、判斷、快速調(diào)節(jié)收斂等特性的綜合自動化供氣系統(tǒng)。達到了動態(tài)實時恒壓供氣調(diào)節(jié)目的，實現(xiàn)了電機輸入輸出平衡高效運行的功能。不僅提高了電機的綜合工作特性，同時到達了節(jié)能降耗的目的，減少了氣能和電能的浪費，提高了企業(yè)的市場綜合競爭力。

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