李廣瀚

(晉能控股煤業(yè)集團晉華宮礦運銷站，山西 大同 037016)

0 引 言

空氣壓縮機是井下大量風(fēng)動設(shè)備如風(fēng)鉆、注漿機與絞車等提供動力源的關(guān)鍵設(shè)備[1]。煤礦生產(chǎn)過程對高壓氣體的需求存在變化，而空氣壓縮機的控制技術(shù)相對落后，不能及時跟隨負載特性發(fā)生改變，存在效率低、可靠性差、自動化程度低的問題[2-3]。煤礦空壓機通常需要24h不間斷運行，期間存在很多空載與輕載運行的狀態(tài)，造成很大的資源浪費[4]。目前，隨著永磁電機技術(shù)的逐漸成熟，將永磁同步電機替代空氣壓縮機中的交流異步電機成為新的發(fā)展趨勢[5]。相較于交流異步電機，永磁同步電機的能效等級高，在低頻運行狀態(tài)下有著良好的節(jié)電節(jié)能效果，但控制系統(tǒng)更為復(fù)雜，控制要求較高[6]。因此，設(shè)計一種可應(yīng)用于空氣壓縮機的伺服控制系統(tǒng)對煤礦節(jié)能降耗具有重要意義。

筆者提出空氣壓縮機控制系統(tǒng)方案，通過分析空壓機控制需求，確定了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動方式與控制策略，并對控制器的硬件進行了選型，系統(tǒng)滿足空壓機控制需求，解決了設(shè)備能耗損失較大的問題，對煤礦節(jié)能開采具有重要意義。

1 空氣壓縮機控制系統(tǒng)設(shè)計方案

基于煤礦安全生產(chǎn)的需求，設(shè)計控制系統(tǒng)方案充分考慮以下要求：采集各個空壓機的工作參數(shù)，清晰反應(yīng)設(shè)備運行狀態(tài)，發(fā)生故障時，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)及時報警并停機進行維護。同時，控制系統(tǒng)應(yīng)記錄各空壓機的歷史運行狀態(tài)，方便工作人員及時分析安全事故，避免進一步損失。控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)各空壓機的精確化、智能化控制，減少人工干預(yù)，提高空壓機的運行能效。

煤礦空氣壓縮機伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由上位機、控制器、通信裝置、伺服驅(qū)動器與就地控制器等組成，實現(xiàn)空壓機組的參數(shù)采集、伺服控制與遠程監(jiān)測功能。上位機安裝于煤礦空壓機監(jiān)控室，通過工業(yè)以太網(wǎng)與控制器建立遠程通訊，實現(xiàn)空壓機參數(shù)的遠程監(jiān)控功能，技術(shù)人員可通過上位機查看設(shè)備運行的歷史數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用控制器與伺服驅(qū)動器實現(xiàn)空壓機組的伺服控制功能，針對各空壓機設(shè)有就地控制器，用于手動控制，提高系統(tǒng)的冗余性。傳感器單元包括壓力傳感器、溫度傳感器、編碼器等，負責(zé)采集各空壓機運行數(shù)據(jù)，控制器對數(shù)據(jù)進行分析處理，通過控制策略將壓力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電機運行的速度控制參數(shù)，并生成控制指令傳輸?shù)剿欧?qū)動器，實現(xiàn)空壓機的自適應(yīng)控制。

圖1 煤礦空氣壓縮機伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 伺服驅(qū)動器工作原理

伺服驅(qū)動器為專用于伺服電機的驅(qū)動器，屬于伺服控制系統(tǒng)中的一部分，包括整流逆變等調(diào)節(jié)電路，作用類似于交流異步電機的變頻驅(qū)動裝置，相較于變頻器的控制精度更高、節(jié)能效果更好。伺服驅(qū)動器負責(zé)接收控制器的控制指令，并向電機發(fā)出命令，通過數(shù)據(jù)反饋實現(xiàn)閉環(huán)控制模式。伺服驅(qū)動器的工作原理如圖2所示，包括位置、速度與電流三個環(huán)路調(diào)節(jié)器，形成三閉環(huán)控制，當(dāng)指令發(fā)出后，三個調(diào)節(jié)器會與電機運行的各位置、速度與電流參數(shù)進行對比，將調(diào)制好的脈沖發(fā)出給電機，實現(xiàn)伺服控制。

圖2 伺服驅(qū)動器工作原理

伺服驅(qū)動器控制模式包括位置控制、速度控制與轉(zhuǎn)矩控制。位置控制通常應(yīng)用于精密數(shù)控機床，由脈沖個數(shù)實現(xiàn)準確定位，定位精度由編碼器決定。速度控制由輸入量與脈沖頻率控制，可用于對速度要求較高的場合。轉(zhuǎn)矩控制由外部模擬量訪問電機轉(zhuǎn)矩，可實時改變電機轉(zhuǎn)矩。此系統(tǒng)應(yīng)用于空壓機組，伺服驅(qū)動器采用速度控制模式，通過改變電機運行速度控制輸出風(fēng)量，進而改變輸出風(fēng)壓。

3 控制策略研究

空壓機伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有嚴重的滯后性與非線性，傳統(tǒng)PID控制方法無法滿足系統(tǒng)的控制需求。文中根據(jù)空氣壓縮機的運行狀態(tài)與固有規(guī)則，采用模糊PID控制策略，實現(xiàn)空壓機的智能伺服控制。模糊PID控制策略結(jié)合兩者的特點，具有魯棒性好、控制精度高的優(yōu)點，控制策略原理圖如圖3所示。

圖3 空壓機控制策略原理圖

系統(tǒng)通過壓力傳感器采集監(jiān)測點風(fēng)壓值，與系統(tǒng)風(fēng)壓設(shè)定值做差，得到偏差e，通過微分環(huán)節(jié)得到偏差率ec，通過模糊規(guī)則自適應(yīng)調(diào)節(jié)PID的整定參數(shù)ΔKP、ΔKI與ΔKD。根據(jù)參數(shù)設(shè)定經(jīng)驗，隨著e與ec的變化，模糊規(guī)則應(yīng)遵循以下幾點：①控制系統(tǒng)尋優(yōu)初始階段，偏差e較大，應(yīng)當(dāng)選取較小的ΔKD值，防止引起微分環(huán)節(jié)溢出，選取較大的ΔKP值，增大曲線斜率，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，選取較小的ΔKI值，抑制積分環(huán)節(jié)作用，防止系統(tǒng)超調(diào)過高;②系統(tǒng)尋優(yōu)到達調(diào)整階段時，偏差e與偏差率ec的值較小，應(yīng)當(dāng)選取較小的ΔKP值，放緩響應(yīng)速度，增大ΔKD值，獲取較大的系統(tǒng)阻尼，減小超調(diào)量;③系統(tǒng)尋優(yōu)到達穩(wěn)定階段時，偏差e與偏差率ec的值很小，應(yīng)當(dāng)減小ΔKP值，增大ΔKI值，以消除靜態(tài)誤差，避免輸出值發(fā)生振蕩，選取適應(yīng)的ΔKD值，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4 伺服控制器硬件選型

4.1 控制器選型

伺服控制器是整個伺服系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，負責(zé)處理與分析各采集數(shù)據(jù)，控制各空壓機組的輸出風(fēng)壓，實現(xiàn)與上位機的信息傳輸功能，是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提。根據(jù)空壓機伺服控制需求，此系統(tǒng)選用TI公司的DSP芯片處理器，具體型號為TMS320F28335。該芯片是專門用于電機控制的處理器芯片，具有優(yōu)良的處理速度與控制精度，設(shè)有豐富的外設(shè)，減輕開發(fā)人員工作難度，可在芯片上開發(fā)復(fù)雜算法，滿足伺服系統(tǒng)的控制要求。

4.2 傳感器選型

伺服控制系統(tǒng)中使用到的傳感器類型包括：溫度傳感器、壓力傳感器與編碼器等。系統(tǒng)采用BWZD隔爆溫度傳感器采集電機軸承溫度參數(shù)，將測溫探頭安裝于電機軸承附近的螺孔內(nèi)，可測量范圍0～200 ℃。

壓力傳感器用于采集空壓機母管壓力參數(shù)，作為控制系統(tǒng)的反饋參數(shù)，壓力參數(shù)的準確性，將直接影響系統(tǒng)的控制精度。系統(tǒng)選用BYD1.6型壓力傳感器，輸入電壓DC24V，可測量壓力2.5 MPa，滿足空壓機系統(tǒng)要求[7-8]。

編碼器為伺服控制系統(tǒng)的核心反饋環(huán)節(jié)，滿足系統(tǒng)的速度控制需求。此系統(tǒng)采用光電式編碼器，通過測量脈沖頻率實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的測量。光電編碼器避免了摩擦損耗，具有測量速度快，測量精度高，抗干擾能力強的優(yōu)點。光電編碼器與電機軸同軸安裝，通過交叉連接器連接到電機，固定于外部端面，并覆蓋有防護罩。

5 應(yīng)用效果

控制系統(tǒng)應(yīng)用以來，空壓機監(jiān)控班組每班節(jié)省工種3名，按300元/工，1天2班計算，一天節(jié)省1 800元，全礦每年約節(jié)資200萬元。

根據(jù)空壓機實際工況，設(shè)備額定功率為355 kW，按每工作日16 h運行時間，一年300工作日。系統(tǒng)應(yīng)用前，設(shè)備耗電量估算為170萬度電，按照市場商用電價每度0.8元計算，全年電費13.6萬。系統(tǒng)應(yīng)用后，2020年設(shè)備實際用電量130萬度，理論節(jié)電率n=130/170≈76%，節(jié)約電費約為32萬元，具有較好的節(jié)能性。綜上，系統(tǒng)應(yīng)用后一年帶來的總經(jīng)濟效益為232萬元左右。

6 結(jié) 語

根據(jù)煤礦空氣壓縮機功能需求，設(shè)計了一種基于DSP處理器的伺服控制系統(tǒng)，采用上位機、DSP控制器與伺服驅(qū)動器結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)空壓機的遠程自動控制。系統(tǒng)采用模糊PID控制策略，通過設(shè)計模糊規(guī)則，結(jié)合了各控制方式的特點，具有魯棒性好，控制精度高的優(yōu)點，滿足空壓機控制功能，降低了煤礦能源消耗。