馬 東

（同煤集團(tuán)洗選公司精煤分公司，山西 大同 037016）

引言

空氣壓縮機(jī)為輸送高壓氣體的風(fēng)動(dòng)工具，礦用空氣壓縮機(jī)一般用于礦山供氣站組合供氣，為礦山風(fēng)動(dòng)設(shè)備提供動(dòng)力源[1]。礦用空氣壓縮機(jī)多數(shù)靠人力實(shí)現(xiàn)多設(shè)備之間的聯(lián)動(dòng)，調(diào)壓速度緩慢，控制精度差，自動(dòng)化程度不高，造成運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)空載、輕載等現(xiàn)象，浪費(fèi)了電能，甚至影響系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷，對(duì)系統(tǒng)造成威脅[2-3]。空氣壓縮機(jī)屬于大型機(jī)電設(shè)備，一旦發(fā)生故障，可能會(huì)對(duì)企業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)工人生命安全造成威脅[4]。所以對(duì)空氣壓縮機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研究，完善多設(shè)備集成控制與故障監(jiān)控功能具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體方案研究設(shè)計(jì)

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)功能要求

監(jiān)控系統(tǒng)的各項(xiàng)控制計(jì)算與監(jiān)控需求建立在空氣壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)的基礎(chǔ)之上，應(yīng)采用相應(yīng)的傳感器采集設(shè)備的總管道壓力、機(jī)組壓力、風(fēng)機(jī)溫度與排氣溫度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)以下功能：

數(shù)據(jù)傳輸功能：將采集到的運(yùn)行數(shù)據(jù)參數(shù)到處理器進(jìn)行分析，將控制指令傳輸?shù)礁鲌?zhí)行設(shè)備，實(shí)現(xiàn)控制器與上位機(jī)之間的信息通訊；

數(shù)據(jù)分析功能：根據(jù)采集信息，通過(guò)主體數(shù)據(jù)分析處理，判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)做出故障預(yù)警，根據(jù)提前設(shè)定的控制算法，保證空氣壓縮機(jī)的正常供氣；

人機(jī)交互功能：空壓機(jī)工作環(huán)境惡劣，技術(shù)人員通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程交互，減輕系統(tǒng)操作的復(fù)雜性，通過(guò)上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的查詢與存儲(chǔ)，便于設(shè)備的日常管理與維護(hù)。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

空氣壓縮機(jī)組的監(jiān)控系統(tǒng)總體方案如圖1所示。選煤廠包括有n臺(tái)空氣壓縮機(jī)，都由變頻器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工頻與變頻模式的切換，節(jié)約了電能消耗?？刂破魍ㄟ^(guò)RS485串口通信與各變頻器及空氣壓縮機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)控制指令的傳輸。傳感器組包括溫度傳感器、電壓傳感器、電流傳感器與壓力傳感器，分別采集各空氣壓縮機(jī)的工況參數(shù)及風(fēng)包的風(fēng)壓參數(shù)。控制器可通過(guò)智能儀表對(duì)系統(tǒng)采用就地控制模式，也可通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，其中上位機(jī)與控制器通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行組網(wǎng)，獲取空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、工作參數(shù)、故障信息及維護(hù)處理等，并設(shè)置用戶權(quán)限及數(shù)據(jù)庫(kù)，方便歷史數(shù)據(jù)的查詢管理。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2 監(jiān)控系統(tǒng)控制策略研究

2.1 控制策略優(yōu)化設(shè)計(jì)

選煤廠空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)，具有嚴(yán)重的滯后性，傳統(tǒng)PID控制策略對(duì)該系統(tǒng)模型的控制效果有限，各設(shè)備之間動(dòng)力分配不均，對(duì)空氣壓縮機(jī)組的使用壽命造成影響，不利于選煤廠的正常生產(chǎn)與節(jié)能減排。本文引入模糊控制策略，對(duì)傳統(tǒng)PID控制方法進(jìn)行升級(jí)，提高了控制系統(tǒng)魯棒性的同時(shí)，保留了輸出靜差低的優(yōu)勢(shì)，控制策略原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)優(yōu)化控制策略

通過(guò)壓力傳感器采集風(fēng)包風(fēng)壓值，與系統(tǒng)設(shè)定值比較，計(jì)算偏差及偏差率，通過(guò)模糊控制器調(diào)節(jié)PID控制參數(shù)，推出相應(yīng)控制增量，再利用智能尋優(yōu)模塊計(jì)算得到各空壓機(jī)的運(yùn)行編號(hào)及對(duì)應(yīng)工作頻率，實(shí)現(xiàn)空氣壓縮機(jī)的閉環(huán)自動(dòng)控制。

圖2中E、EC分別為偏差及偏差變化率，KP、KI、KD分別為PID控制器的比例調(diào)節(jié)系數(shù)、積分調(diào)節(jié)系數(shù)、微分調(diào)節(jié)系數(shù)。當(dāng)E較大時(shí)，應(yīng)當(dāng)增大KP，盡快降低結(jié)果偏差，提高響應(yīng)速度，同時(shí)選取KI為0、KD為較小的值，以此降低控制器阻尼系數(shù)與時(shí)間常量；當(dāng)E為中等值時(shí)，應(yīng)降低的KP值，以提高響應(yīng)速度，同時(shí)適當(dāng)增加KI、KD的大小，避免產(chǎn)生過(guò)大的超調(diào)響應(yīng)；當(dāng)E為較小值時(shí)，應(yīng)當(dāng)選取較小的KP和KI，同時(shí)根據(jù)偏差變化率EC來(lái)確定合適的KD取值，如當(dāng)EC較大時(shí)，KD取值較小。

2.2 控制器設(shè)計(jì)流程

模糊控制器的設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示，以操作對(duì)象的控制策略及操作經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)大量數(shù)據(jù)分析及篩選，選定控制器的輸入輸出變量，并選擇能夠涵蓋變量的子集及隸屬函數(shù)，最終用模糊語(yǔ)句表述模糊規(guī)則。模糊規(guī)則本質(zhì)為輸入變量與輸出變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)操作人員經(jīng)驗(yàn)及測(cè)試實(shí)驗(yàn)獲得，具有語(yǔ)言型、表格型及公式型三種形式[5-6]。

輸入變量越多，控制系統(tǒng)輸出效果越好，但是控制過(guò)程的復(fù)雜度會(huì)相應(yīng)提高，所以實(shí)際過(guò)程需根據(jù)系統(tǒng)需求合理選擇輸入變量，本文輸入變量為輸入偏差和偏差變化率，輸出變量為PID的控制參數(shù)KP、KI、KD。輸入量經(jīng)過(guò)模糊化處理，確定覆蓋在模糊域上模糊子集數(shù)目與對(duì)應(yīng)子集的隸屬函數(shù)。

隸屬函數(shù)取決于控制對(duì)象的具體情況，當(dāng)模糊域?yàn)殡x散值時(shí)，其隸屬函數(shù)如公式1所示，當(dāng)模糊域?yàn)檫B續(xù)值時(shí)，隸屬函數(shù)如公式2所示：

圖3 控制器設(shè)計(jì)流程圖

選取的隸屬函數(shù)形狀將影響控制系統(tǒng)的控制效果及穩(wěn)定性，在遠(yuǎn)離平衡點(diǎn)的位置選用較平緩的隸屬函數(shù)，在盡快達(dá)到平衡的同時(shí)避免產(chǎn)生較大的振蕩；在靠近平衡點(diǎn)的地方，選用陡峭的隸屬函數(shù)，提高分辨率，減小輸出誤差。輸出量為模糊集合的轉(zhuǎn)化，將集合上隸屬度最大的點(diǎn)轉(zhuǎn)換為一個(gè)清晰值的區(qū)間，再根據(jù)控制系統(tǒng)要求，選擇合適的區(qū)間值作為輸出量。

3 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制器及變頻器選型

本系統(tǒng)中終端控制設(shè)備包括多臺(tái)空氣壓縮機(jī)及變頻器，終端采集設(shè)備包括各空壓機(jī)的電流、電壓、溫度等傳感器及風(fēng)包的壓力傳感器等設(shè)備。根據(jù)控制需求及功能要求，選用ControlLogix5000系列PLC傳感器，處理器為1756-L73，并配有1個(gè)開關(guān)量輸入模塊和輸出模塊，2個(gè)模擬量輸入模塊和輸出模塊，為系統(tǒng)的后續(xù)擴(kuò)展留有余量。

系統(tǒng)空氣壓縮機(jī)由變頻器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工頻/變頻模式的切換，以適應(yīng)對(duì)應(yīng)的負(fù)載，節(jié)約電能消耗。根據(jù)風(fēng)機(jī)負(fù)載信息及工況參數(shù)，選用ATV61系列施耐德變頻器作為空氣壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置。

3.2 壓力傳感器選型

壓力傳感器為控制器模糊控制方法的反饋輸入?yún)?shù)，其采集精度的好壞將決定控制系統(tǒng)輸出效果的穩(wěn)定性。所以綜合考慮各傳感器穩(wěn)定性、使用壽命及采集精度等信息，選用德國(guó)PMC731系列智能壓力傳感器。傳感器輸入電壓DC12V～45V，測(cè)量范圍-40～85℃，最大誤差±0.1%FS，防護(hù)等級(jí)IP65[7-8]。

4 應(yīng)用效果分析

在系統(tǒng)應(yīng)用前，工人每小時(shí)都需要進(jìn)入空壓機(jī)房調(diào)節(jié)總管壓力；在系統(tǒng)應(yīng)用后，由控制器對(duì)壓力進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，在非生產(chǎn)時(shí)段，用氣設(shè)備下降，壓力劇增，系統(tǒng)能夠快速調(diào)節(jié)，避免設(shè)備發(fā)生空載現(xiàn)象。空壓機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中，消耗的電能為額定運(yùn)行的3倍，系統(tǒng)控制策略避免了空壓機(jī)的頻繁啟停，降低了系統(tǒng)功耗，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。