程曉軍

北京京城地鐵有限公司 北京 101312

1 引言

為減少能源消耗，提高能源使用效率，保護(hù)資源，減少對環(huán)境的污染，減少企業(yè)人工成本。本設(shè)計(jì)以動力中心空壓系統(tǒng)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，通過使用PID算法、前饋控制和基于生產(chǎn)與非生產(chǎn)時(shí)段的時(shí)間匹配控制的自動控制方法，在保證生產(chǎn)設(shè)備正常使用合格達(dá)標(biāo)的壓縮空氣的前提下，安全合理的使用空氣壓縮機(jī)及相關(guān)的配套設(shè)施，減少現(xiàn)場工作人員的工作量，為動力車間節(jié)約能源。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

壓縮空氣供應(yīng)系統(tǒng)，簡稱“空壓系統(tǒng)”，承擔(dān)全廠工藝生產(chǎn)所需壓縮空氣的24小時(shí)不間斷供給和輸送的任務(wù)，制絲車間和卷包車間都對壓縮空氣的供給有著明確的壓力要求，如果壓力不達(dá)標(biāo)將影響車間設(shè)備的正常生產(chǎn)，嚴(yán)重時(shí)將造成整線的停產(chǎn)事故，從而帶來數(shù)額巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

因此對空壓系統(tǒng)主工藝設(shè)備進(jìn)行自動控制調(diào)節(jié)，以適應(yīng)用戶峰值的壓縮空氣供應(yīng)要求，保證用戶壓縮空氣供給壓力，是空壓系統(tǒng)控制的基本要求。在此條件下，如何合理設(shè)置空壓機(jī)運(yùn)行壓力、減少空氣壓縮機(jī)的節(jié)流放散、減少空壓系統(tǒng)運(yùn)行能耗，一直是困擾空壓系統(tǒng)自動化控制的難題。

2.1 系統(tǒng)現(xiàn)狀

2.1.1 系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成 系統(tǒng)現(xiàn)有設(shè)備情況如下：

1)水冷式無油螺桿空氣變頻壓縮機(jī)2臺，型號ZR315 VSD，最大產(chǎn)氣量50m3/Min；

2)水冷式無油螺桿空氣壓縮機(jī)1臺，型號ZR350，額定產(chǎn)氣量50m3/Min；

3)水冷式無油螺桿空氣壓縮機(jī)1臺，型號ZR132，額定產(chǎn)氣量20m3/Min；

4)冷卻水泵3臺；

5)冷卻塔風(fēng)機(jī)2臺。

2.1.2 系統(tǒng)控制示意圖

圖1 系統(tǒng)控制示意圖

2.1.3 設(shè)計(jì)依據(jù)

(1)前饋控制。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，對生產(chǎn)過程的自動控制提出了更高的要求，前饋控制隨之產(chǎn)生，他是一種特殊的控制規(guī)律，他是對即將出現(xiàn)的偏差有所覺察并及時(shí)預(yù)先提出某些措施時(shí)，進(jìn)行有效的控制,因此前饋控制具有重要的意義。

前饋控制采用的普遍方式，是利用所能得到的最新信息，進(jìn)行認(rèn)真、反復(fù)的預(yù)測，把計(jì)劃所要達(dá)到的目標(biāo)同預(yù)測相比較，并采取措施修改計(jì)劃，以使預(yù)測與計(jì)劃目標(biāo)相吻合。到目前為止運(yùn)用的比較先進(jìn)的前饋控制技術(shù)之一是計(jì)劃評審法，或稱網(wǎng)絡(luò)分析法。它可以預(yù)先知道哪些工序的延時(shí)會影響到整個(gè)工期，在何時(shí)會出現(xiàn)何種資源需求高峰，從而采取有效的預(yù)防措施與行之有效的管理辦法。

(2) PID控制。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。

PID控制器由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成。其輸入e (t)與輸出u (t)的關(guān)系為

因此它的傳遞函數(shù)為：G(s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(Ti*s)+Td*s]

其中kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)

(3)基于前饋控制、時(shí)間匹配的新的控制方法。圖2所示的閉環(huán)控制圖是根據(jù)廠內(nèi)設(shè)備現(xiàn)有狀況，為了保證供氣壓力的平穩(wěn)而設(shè)計(jì)的控制圖。采用傳統(tǒng)PID控制和前饋控制相結(jié)合的控制方法，將分氣缸壓力作為主調(diào)節(jié)變量，輔以各車間的消耗流量變化之和作為輔助調(diào)節(jié)變量(前饋調(diào)節(jié)變量)。

圖2 空壓系統(tǒng)閉環(huán)控制圖

除了原有的自動控制空壓機(jī)的啟動和停止，根據(jù)空壓機(jī)的運(yùn)行時(shí)間記錄完成空壓機(jī)定時(shí)切換功能完成運(yùn)行等，避免設(shè)備過度使用增加維修費(fèi)用；當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障后將自動切換備用機(jī)組運(yùn)行，做到無擾動切換等功能。

還利用Modbus-RTU現(xiàn)場總線通訊，根據(jù)生產(chǎn)的變化規(guī)律時(shí)時(shí)自動修正工頻空壓機(jī)的加卸載壓力設(shè)定值和變頻空壓機(jī)的變頻調(diào)節(jié)設(shè)定壓力值。避免了人為到現(xiàn)場修改參數(shù)，同時(shí)壓力自動修正的過程中按照程序中自動排列的空壓機(jī)運(yùn)行序列遵循階梯壓力設(shè)定的方案，保證了系統(tǒng)壓力的平穩(wěn)過渡。

利用以太網(wǎng)通訊從廠內(nèi)的能源管理系統(tǒng)獲得各臺空壓機(jī)的反饋耗電量，以及通過PLC采集到空壓機(jī)出口流量儀表記錄的產(chǎn)氣流量，核算出各臺空壓機(jī)的電氣比，成為空壓機(jī)效率依據(jù)，根據(jù)核算出的效率完成自動追蹤功能，自動修正空壓機(jī)的啟動順序，達(dá)到效率高的設(shè)備優(yōu)先啟動，做到先啟后停的控制方案。

根據(jù)分析的全廠不同時(shí)間的用氣要求，特別為空壓站的自動控制程序設(shè)定了工作模式和假日模式。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在工作模式時(shí)，程序?qū)⒆詣痈鶕?jù)負(fù)載變化情況完成設(shè)定參數(shù)的自動修改，以適應(yīng)生產(chǎn)時(shí)發(fā)生的流量變化。當(dāng)車間流量需求增大；同時(shí)分氣缸的反饋壓力下降速率超過設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)將自動優(yōu)先提升當(dāng)前運(yùn)行的變頻空壓機(jī)的調(diào)節(jié)壓力設(shè)定參數(shù)，反之亦然。

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在假日模式時(shí)，程序?qū)⒏鶕?jù)需求自動開啟空壓站內(nèi)產(chǎn)氣量最小的空壓機(jī)提供壓縮空氣的供給，滿足車間在非工作日的安排，一定程度上節(jié)約了系統(tǒng)的整體耗能。

3 實(shí)踐運(yùn)用

本設(shè)計(jì)控制程序在現(xiàn)場實(shí)施后。如圖3所示經(jīng)過傳統(tǒng)PID算法和前饋算法相結(jié)合的控制方案后，系統(tǒng)運(yùn)行中壓力控制的更為平穩(wěn)，變化幅度更小。同時(shí)結(jié)合圖3的日供氣規(guī)律，夜間適當(dāng)降低控制系統(tǒng)壓力，自適應(yīng)了生產(chǎn)時(shí)間的規(guī)律性變化，一定程度上降低了能耗。

圖3 空壓系統(tǒng)控制算法改變前后供氣壓力比變化圖

圖4所示經(jīng)過傳統(tǒng)PID算法和前饋算法相結(jié)合的控制方案后，系統(tǒng)運(yùn)行中整體電氣比下降明顯，通過合理的控制各臺空壓機(jī)的控制壓力，通過反饋回來的壓力數(shù)據(jù)，動態(tài)調(diào)整各空壓機(jī)的控制壓力，使得整體控制更動態(tài)化；合理分配和控制空壓機(jī)開啟的數(shù)量，開啟空壓機(jī)的產(chǎn)氣量，使得整體節(jié)能效果顯著。同時(shí)車間現(xiàn)場的人員配比也可隨之減少，節(jié)能又節(jié)省人員。

圖4 空壓系統(tǒng)控制算法改變前后電氣比變化圖

4 結(jié)論

通過使用此次設(shè)計(jì)的PID算法、前饋控制和基于生產(chǎn)與非生產(chǎn)時(shí)段的時(shí)間匹配控制的自動控制方法，在保證生產(chǎn)設(shè)備正常使用合格達(dá)標(biāo)的壓縮空氣的前提下，安全合理的使用了空氣壓縮機(jī)及相關(guān)的配套設(shè)施，減少了現(xiàn)場工作人員的工作量，更為動力車間有效的節(jié)約了能源。