宋 鋼，安瑞科

（蚌埠壓縮機(jī)有限公司，安徽 蚌埠233000）

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

1 變頻恒壓供氣系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)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(jī)電機(jī)間的所有真空開關(guān)、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(jī)電機(jī)工作的動力源部分。

（2）上位機(jī)PLC控制系統(tǒng)。通過PLC可編程控制器，具有對電機(jī)的起停信號的采集、系統(tǒng)預(yù)設(shè)壓力參數(shù)的設(shè)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(yùn)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(jié)構(gòu)。通過可編程邏輯單元，可以獲得變頻器起停信號、壓力的預(yù)設(shè)值；通過變頻系統(tǒng)內(nèi)部自檢功能實(shí)時掃描系統(tǒng)內(nèi)部故障，并通過相應(yīng)的RS485通信協(xié)約，將故障報警信號傳輸給PLC，實(shí)現(xiàn)故障報警的動態(tài)檢測。PID調(diào)節(jié)器單元，利用遠(yuǎn)傳傳感器將輸氣管道中的實(shí)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(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，獲得對應(yīng)的頻率差信號，通過變頻器內(nèi)部觸點(diǎn)的調(diào)整，將電機(jī)主電源的頻率調(diào)整為實(shí)時輸氣管口需氣頻率，保證電機(jī)的輸入功率與用氣設(shè)備的需求功率平衡，從而到達(dá)根據(jù)用氣負(fù)荷波動壓力信號控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，來實(shí)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(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 變頻恒壓供氣系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 變頻器PID調(diào)節(jié)原理

為了實(shí)現(xiàn)恒壓供氣系統(tǒng)在用氣負(fù)荷波動時，能夠通過內(nèi)部自動調(diào)節(jié)而實(shí)現(xiàn)供需平衡，保證壓縮機(jī)電機(jī)高效經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，就需要利用遠(yuǎn)動傳感器實(shí)時采集需氣壓力信號，并通過反饋回路，傳輸給變頻器進(jìn)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(jī)電機(jī)調(diào)節(jié)電源頻率信號，通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)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(shí)際上是一個反復(fù)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(shè)計(jì)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(yù)設(shè)壓力（Tf）越好，即希望滿足Tf-Of≈0的關(guān)系式。而變頻器控制電機(jī)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(shí)際差值，作為系統(tǒng)的反饋信號時，給定電機(jī)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(yīng)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(jìn)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(jìn)行放大，然后供給變頻器進(jìn)行電機(jī)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(jī)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(jìn)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(shí)現(xiàn)收斂狀態(tài)。因此，需要引入對應(yīng)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(yù)設(shè)“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(shè)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(shí)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(fù)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(jìn)行有效調(diào)節(jié)，就需要在積分環(huán)節(jié)中設(shè)置一段加速調(diào)節(jié)動作時間。通過外設(shè)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(shè)有對應(yīng)的PID模塊，保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)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(jī)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(yīng)的人性化服務(wù)窗口界面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、命令的人機(jī)通信接口。

為便于運(yùn)行人員能夠?qū)崟r動態(tài)地了解整個供氣系統(tǒng)的運(yùn)行工況，通過MCGS仿真軟件編寫對應(yīng)的仿真界面，并利用液晶顯示屏，將所有參數(shù)提供給運(yùn)行人員。在人機(jī)接口的可視化系統(tǒng)中，運(yùn)行人員不僅可以了解系統(tǒng)運(yùn)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(jī)電機(jī)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(jī)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(jié)合形成的恒壓變頻供氣系統(tǒng)，具有較大的工程實(shí)際應(yīng)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(yù)設(shè)壓力信號與預(yù)設(shè)壓力值進(jìn)行比對，獲得對于的壓力偏差信號，作為電機(jī)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(yùn)行的基礎(chǔ)上，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

（2）實(shí)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(shí)現(xiàn)了壓力差信號的實(shí)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(jī)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(yùn)行人員的整體工作效率，同時通過計(jì)算機(jī)自動進(jìn)行故障預(yù)測判斷，提高了故障處理速率，保證了系統(tǒng)的整體運(yùn)行特性。

5 結(jié)束語

利用PLC與內(nèi)置PID變頻器相結(jié)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(dá)到了動態(tài)實(shí)時恒壓供氣調(diào)節(jié)目的，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)輸入輸出平衡高效運(yùn)行的功能。不僅提高了電機(jī)的綜合工作特性，同時到達(dá)了節(jié)能降耗的目的，減少了氣能和電能的浪費(fèi)，提高了企業(yè)的市場綜合競爭力。

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