基于集散控制系統(tǒng)的空壓機(jī)變頻恒壓供氣改造

鄭德金　孫建華　楊旭

摘要：文章針對(duì)除灰系統(tǒng)中空氣壓縮機(jī)能耗大、自動(dòng)化程度低等問(wèn)題，利用集散控制系統(tǒng)和變頻器對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行了變頻改造，實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)供氣PID自動(dòng)恒壓調(diào)節(jié)，節(jié)能效果顯著。

關(guān)鍵詞：空壓機(jī)；集散控制系統(tǒng)；恒壓供氣；PID變頻；改造節(jié)能

中圖分類號(hào)：TH457 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）11-0038-02

司家營(yíng)鐵礦熱電車間共有兩臺(tái)螺桿式空壓機(jī)，為除灰系統(tǒng)提供吹掃氣源，是鍋爐運(yùn)行的重要設(shè)備，其運(yùn)行狀況的好壞直接影響車間的正常生產(chǎn)。針對(duì)上述問(wèn)題，司家營(yíng)鐵礦熱電車間對(duì)空壓機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造以達(dá)到節(jié)能增效的效果。

1 螺桿式空壓機(jī)工作過(guò)程及存在問(wèn)題

1.1 螺桿式空壓機(jī)工作過(guò)程

螺桿式空壓機(jī)工作過(guò)程如圖1所示：

如圖1所示，空氣經(jīng)過(guò)空氣過(guò)濾器過(guò)濾掉雜貨和塵土等，經(jīng)吸氣調(diào)節(jié)閥進(jìn)入到壓縮腔，與此時(shí)被噴入的冷卻潤(rùn)滑油混合，由電動(dòng)機(jī)加壓壓縮成高壓混合氣體，經(jīng)過(guò)儲(chǔ)油罐進(jìn)入油/氣分離器，經(jīng)過(guò)一系列的碰撞、重力離心等作用，空氣與油分離，空氣經(jīng)過(guò)空氣冷卻器進(jìn)入儲(chǔ)氣罐為系統(tǒng)供氣，而油經(jīng)過(guò)油過(guò)濾器和冷卻器進(jìn)入壓縮器進(jìn)行新一輪的油氣混合。

1.2 空壓機(jī)存在的問(wèn)題

（1）空壓機(jī)加載、卸載過(guò)程中，耗能較高，造成極大的浪費(fèi)。（2）空壓機(jī)房工作環(huán)境惡劣，噪音大。（3）自動(dòng)化程度低，輸出壓力依靠調(diào)節(jié)閥人工調(diào)節(jié)，速度慢，精度低，供氣壓力不穩(wěn)定。

2 空壓機(jī)變頻改造方案

2.1 空壓機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析

根據(jù)空氣壓縮理論和異步電動(dòng)機(jī)原理，空壓機(jī)的軸功率、排氣量和軸轉(zhuǎn)速符合下列公式：

PL——空氣壓縮機(jī)功率

TL——空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩

nL——空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速

根據(jù)上述理論分析，在空壓機(jī)的汽缸容積一定的前提下，只有調(diào)節(jié)空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速才能改變排氣量。由于空壓機(jī)是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，空壓機(jī)軸功率與轉(zhuǎn)速呈正比變化，因此通過(guò)調(diào)節(jié)空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)供風(fēng)壓力，是空壓機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的有效方法。

2.2 變頻器的節(jié)能原理

由電機(jī)學(xué)知識(shí)可知，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f、轉(zhuǎn)差率S、電機(jī)極對(duì)數(shù)p三個(gè)參數(shù)有如下關(guān)系：

由此可知，在電機(jī)極對(duì)數(shù)p一定且轉(zhuǎn)差率S又變化很小的情況下，轉(zhuǎn)速n基本上與電源頻率f成正比，即改變電源頻率就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，可以利用變頻器的調(diào)速功能調(diào)節(jié)空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，以達(dá)到節(jié)能的目的。

2.3 集散控制系統(tǒng)介紹

集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System）是以微處理器為基礎(chǔ)的集中分散控制系統(tǒng)，可對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制，簡(jiǎn)稱DCS系統(tǒng)。該系統(tǒng)將若干臺(tái)微機(jī)分散應(yīng)用于過(guò)程控制，全部信息通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)由上位管理計(jì)算機(jī)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化控制，整個(gè)裝置繼承了常規(guī)儀表分散控制和計(jì)算機(jī)集中控制的優(yōu)點(diǎn)，克服了常規(guī)儀表功能單一、人-機(jī)聯(lián)系差以及單臺(tái)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)危險(xiǎn)性高度集中的缺點(diǎn)，既實(shí)現(xiàn)了在管理、操作和顯示三方面集中，又實(shí)現(xiàn)了在功能、負(fù)荷和危險(xiǎn)性三方面的

分散。

2.4 空壓機(jī)變頻改造方案

恒壓供氣控制系統(tǒng)主要由DCS、變頻器、空壓機(jī)、壓力變送器等組成，以管網(wǎng)壓力為控制對(duì)象，設(shè)計(jì)的控制原理圖如圖2所示：

執(zhí)行機(jī)構(gòu)為變頻器，采用V/F控制方式進(jìn)行調(diào)頻，根據(jù)偏差按設(shè)定的PID控制模式進(jìn)行運(yùn)算，從而控制變頻器的頻率，調(diào)節(jié)空壓機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使得供氣壓力維持在給定壓力上，實(shí)現(xiàn)供氣的恒壓控制。

為了安全運(yùn)行，保留原有的工頻控制模式和電氣機(jī)械聯(lián)鎖，即工頻、變頻控制模式可切換運(yùn)行，正常情況下，空壓機(jī)以變頻調(diào)速的控制方式運(yùn)行，若變頻器控制系統(tǒng)發(fā)生故障則自動(dòng)切換至工頻運(yùn)行模式?？諌簷C(jī)工頻/變頻運(yùn)行模式的電氣原理圖如圖3所示：

如圖3所示，當(dāng)QF1、QF2閉合時(shí)，空壓機(jī)處于工頻運(yùn)行模式；當(dāng)QF1、QF3閉合時(shí)，空壓機(jī)處于變頻調(diào)速模式。其中，QF2、QF3存在電氣機(jī)械閉鎖關(guān)系，即二者不能同時(shí)閉合。

3 空壓機(jī)變頻改造的實(shí)施

3.1 變頻器的選型

選擇變頻器容量與所驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)容量相同即可。司家營(yíng)鐵礦熱電車間共有兩臺(tái)復(fù)盛空壓機(jī)，其型號(hào)為SA-250A，所配電機(jī)型號(hào)為Y2-355M-4，額定電壓為380V，額定電流為433A，額定功率為250kW。為更好地實(shí)現(xiàn)恒壓供氣的目的，因此選用兩臺(tái)ABB風(fēng)機(jī)泵類專用單傳動(dòng)變頻器，其型號(hào)為ACS800-04P-320-3。

3.2 恒壓控制系統(tǒng)的邏輯方案及PID調(diào)試

3.2.1 恒壓控制系統(tǒng)的邏輯方案。該恒壓控制系統(tǒng)是基于DCS控制系統(tǒng)完成的，其邏輯控制方案如圖4。

此方案中，SELECT2為DCS組態(tài)中的模擬量二選一算法，即供氣壓力有兩個(gè)，需選擇一個(gè)壓力為PID的控制對(duì)象。當(dāng)無(wú)人工選擇信號(hào)時(shí)，算法自動(dòng)進(jìn)行選擇；當(dāng)兩個(gè)壓力品質(zhì)均好時(shí)，選擇平均值；當(dāng)其中一個(gè)壓力品質(zhì)壞時(shí)，則選擇品質(zhì)好的那一個(gè)壓力；當(dāng)有人工選擇信號(hào)時(shí)，若條件滿足（所選點(diǎn)品質(zhì)好），則根據(jù)人工要求進(jìn)行選擇，選擇結(jié)果的點(diǎn)品質(zhì)也送出。

LAG為超前/滯后環(huán)節(jié)組態(tài)算法，其傳遞函數(shù)為：

G（s）=K（1+T1S）/（1+T2S）

式中：

K——增益系數(shù)

T1——超前時(shí)間（Sec）

T2——滯后時(shí)間（Sec）

其主要作用為通過(guò)T1、T2的設(shè)定，調(diào)節(jié)PID兩個(gè)輸入端信號(hào)的增益時(shí)間，排除信號(hào)傳輸及運(yùn)算過(guò)程的延遲問(wèn)題。

PIDF為組態(tài)中的PID調(diào)節(jié)器算法，為供氣壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器，其偏差為反作用。

NORMA/M為帶限值器及可調(diào)偏置的普通型軟手操器，為變頻器調(diào)速的界面手操作器，可實(shí)現(xiàn)調(diào)速的自動(dòng)/手動(dòng)的切換，可實(shí)現(xiàn)變頻器的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制。

3.2.2 恒壓控制系統(tǒng)的PID調(diào)試。組態(tài)完畢后，通過(guò)對(duì)PID比例系數(shù)、微分時(shí)間、積分時(shí)間的設(shè)定，方可實(shí)現(xiàn)供氣壓力的恒定調(diào)節(jié)。以即時(shí)曲線為依據(jù)，按PID調(diào)節(jié)的經(jīng)驗(yàn)，以此設(shè)定三者的大小，根據(jù)曲線的振幅、反應(yīng)時(shí)間，反復(fù)修改，最后整定出供氣壓力為0.7MPa時(shí)，系統(tǒng)正常運(yùn)行的PID參數(shù)為：

PIDGAIN=0.45，即比例系數(shù)；PIDRESET=50，即微分時(shí)間；PIDDGAIN=6，即積分時(shí)間。

變頻器自動(dòng)投入后，供氣系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著DCS系統(tǒng)和變頻技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，無(wú)論從節(jié)能角度出發(fā)，還是自動(dòng)化技術(shù)的推廣應(yīng)用，空壓機(jī)的變頻改造都將是一個(gè)必然趨勢(shì)，而DCS系統(tǒng)則將是其首選控制系統(tǒng)。

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作者簡(jiǎn)介：鄭德金（1984—），男，河北鋼鐵集團(tuán)灤縣司家營(yíng)鐵礦有限公司技術(shù)員，助理工程師；孫建華（1966—），男，河北鋼鐵集團(tuán)灤縣司家營(yíng)鐵礦有限公司廠長(zhǎng)，高級(jí)工程師；楊旭（1983—），男，河北鋼鐵集團(tuán)灤縣司家營(yíng)鐵礦有限公司副廠長(zhǎng)，助理工程師。

（責(zé)任編輯：周 瓊）