基于PID控制的空壓機無人值守系統(tǒng)設(shè)計

陳士權(quán)

摘要：為了適應(yīng)現(xiàn)代礦山建設(shè)發(fā)展，提高井下供風(fēng)系統(tǒng)的管理和控制水平，增強礦山的科技水平，本文設(shè)計了一種基于PID控制的空壓機無人值守系統(tǒng)。本系統(tǒng)以PLC控制系統(tǒng)為核心，監(jiān)控空壓機及其附屬設(shè)備，并結(jié)合PID算法最終實現(xiàn)空壓機的無人值守聯(lián)動控制。

關(guān)鍵詞：空壓機;PID控制;無人值守

空壓機作為礦井提供動力用風(fēng)的重要設(shè)備，其工作的穩(wěn)定性直接影響著礦井的安全生產(chǎn)[1]。目前多數(shù)壓風(fēng)系統(tǒng)主要操作方式采用就地分散式手工操作，必須全天24小時派專人值守，值守人員根據(jù)井下用風(fēng)量的需求采用手動方式進行啟?？諌簷C操作，并定期巡檢，記錄運行情況，空壓機組無法自動聯(lián)動運行，因此造成礦井空壓機運行成本過高，耗電量較大且利用效率低下[2]。

通過自動化控制能直觀在地面主控室對井下個采區(qū)和作業(yè)點的供風(fēng)情況進行實時顯示和控制，便于地面對井下供風(fēng)狀況進行及時、準確的調(diào)度。提高井下供風(fēng)系統(tǒng)的管理和控制水平，增強礦山的科技水平，符合現(xiàn)代礦山建設(shè)的目的。鑒于此，本文設(shè)計了一種基于PID控制的空壓機無人值守系統(tǒng)。

1 PID控制原理

PID控制器作為一種線性控制器，其依據(jù)給定值點擊并拖拽以移動與實際輸出值點擊并拖拽以移動構(gòu)成偏差點擊并拖拽以移動，這里，點擊并拖拽以移動。將偏差的比例、積分和微分通過線性組合的方式組成控制量，對受控對象進行控制，具體如式（1）所示：

點擊并拖拽以移動 ? ?（1）

式（2）為傳遞函數(shù)：

點擊并拖拽以移動 ? ? ? ? ? ?（2）

這里，點擊并拖拽以移動代表比例系數(shù)，點擊并拖拽以移動代表積分時間常數(shù)，點擊并拖拽以移動代表微分時間常數(shù);點擊并拖拽以移動代表積分系數(shù);點擊并拖拽以移動代表微分系數(shù)。

下面對PID控制器各環(huán)節(jié)作詳細說明 [3]：

比例環(huán)節(jié)：該環(huán)節(jié)線性反映控制系統(tǒng)的偏差信號點擊并拖拽以移動，若產(chǎn)生偏差，則控制器隨即發(fā)出控制信號以調(diào)節(jié)誤差。當(dāng)偏差為零時，控制信號也隨之消失。故比例控制是對偏差進行控制，即有差調(diào)節(jié)。積分環(huán)節(jié)：該環(huán)節(jié)能對可以記憶誤差，目的是消除靜差以提高系統(tǒng)無差度，積分作用的強弱與積分時間常數(shù)呈負相關(guān)，點擊并拖拽以移動越大，積分作用越弱，點擊并拖拽以移動減小時則積分作用增強。微分環(huán)節(jié)：該環(huán)節(jié)反映了偏差信號的變化情況，且當(dāng)偏差信號過大時，為了加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間，在系統(tǒng)中引入早期修正信號。從時間上來講，比例環(huán)節(jié)是對系統(tǒng)當(dāng)前誤差進行調(diào)節(jié)，積分環(huán)節(jié)是系統(tǒng)誤差的記憶，而微分環(huán)節(jié)反映出系統(tǒng)誤差的變化情況。

2系統(tǒng)方案特點

系統(tǒng)方案特點包括空壓機、循環(huán)水泵、冷卻電機實現(xiàn)遠程啟、停，電動閥門控制并實現(xiàn)聯(lián)鎖控制;空壓機各運行參數(shù)、故障、報警信息讀取到上位機，并在上位機畫面顯示;壓縮機排風(fēng)管路的壓力、流量及CO濃度檢測;冷卻水循環(huán)管路流量、壓力檢測;冷卻水池液位檢測、儲氣罐溫度、輔助設(shè)備運行狀態(tài)等;通過以太網(wǎng)通訊方式將空壓機房數(shù)據(jù)上傳調(diào)度中心進行集中監(jiān)測和控制;系統(tǒng)實時在線監(jiān)測空壓機的壓力（包括壓風(fēng)機排氣壓力、風(fēng)包壓力、冷卻水進口壓力）、溫度（包括壓風(fēng)機排氣溫度、風(fēng)包溫度、冷卻水出口溫度）、振動以及電氣參數(shù)（包括電機電流、電壓、功率、電量等）、水位（包括冷卻水池水位和循環(huán)水池水位），控制空壓機啟停、冷卻水泵啟停、冷卻風(fēng)機啟停、冷卻閥門開關(guān)。

3系統(tǒng)方案功能

能夠及時處理故障，節(jié)約能耗，同時減少維護人員的維護強度，減少故障處理影響時間，提高后勤部門維護的時效性，保障礦山正常生產(chǎn)，提高工作效率，降低勞動強度。減少壓風(fēng)電耗，避免不必要的浪費。

3.1聯(lián)動控制

實現(xiàn)多臺壓風(fēng)機及相關(guān)冷卻閥門的自動聯(lián)動控制，按程序自動執(zhí)行啟停、加載和卸載。當(dāng)進入無人值守模式時，系統(tǒng)則根據(jù)實際壓力對空壓機進行自動啟停操作，從而完成空壓機的自動加載、卸載控制過程，最終實現(xiàn)空壓機、冷卻水泵的自動輪換，保持循環(huán)水池和冷卻水池的水位平衡以及風(fēng)包定期自動排污。

3.2設(shè)備的循環(huán)運行，延長使用壽命

空壓機和冷卻水泵長期工作可能引起設(shè)備疲勞，但若長期不使用則可能導(dǎo)致設(shè)備銹蝕，故設(shè)備一定要循環(huán)運行，使其均勻磨損。本文設(shè)計的系統(tǒng)對空壓機和冷卻水泵的工作時長進行監(jiān)控，同時自動控制二者的循環(huán)運行，盡可能地延長設(shè)備的使用壽命。

3.3保護及故障報警

實現(xiàn)潤滑油排氣系統(tǒng)定子溫度、電機定子溫度、冷卻水定子溫度超溫自動報警，冷卻水定子壓力不夠、潤滑油定子壓力不夠、冷卻水溫度斷水自動報警，過載溫度自動停機、電源逆相、缺相保護、超過最大工作溫度壓力安全閥停止動作、空氣污染物過濾器堵塞報警、油過濾器堵塞報警、油細分離器堵塞報警等，系統(tǒng)自動根據(jù)出現(xiàn)堵塞報警的情況對設(shè)備和主機各部位都作出了相應(yīng)的故障報警處理，監(jiān)控設(shè)備和主機同時自動發(fā)出了相應(yīng)的聲音文字及圖像和語音的報警，系統(tǒng)自動實時顯示、記錄或自動打印故障的性質(zhì)、故障的地點及其發(fā)生原因和故障的持續(xù)時間。

4系統(tǒng)方案架構(gòu)

系統(tǒng)以PLC控制系統(tǒng)為核心結(jié)合PID算法，監(jiān)控空壓機和附屬設(shè)備，來實現(xiàn)空壓機無人值守聯(lián)動控制。本系統(tǒng)有三層結(jié)構(gòu)分別是現(xiàn)場設(shè)備層、監(jiān)控信息層和PLC控制層。其核心主要是中間的PLC控制層，它用于控制和通訊;最底層為現(xiàn)場設(shè)備層;最上層是具備HMI功能的監(jiān)控設(shè)備，對外提供開放的數(shù)據(jù)發(fā)布。

監(jiān)控計算機壓風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)采用人機交互界面與客戶端和交換機組成了監(jiān)控信息層，可實現(xiàn)報表查詢，在線監(jiān)控數(shù)據(jù)管理及視頻監(jiān)控畫面顯示等功能。由上位工控機和PLC控制系統(tǒng)、硬盤錄像機等設(shè)備所組成PLC控制層作為中間層，通過光纖進行通訊連接，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)設(shè)備的集中控制。通過modbus通訊實現(xiàn)對現(xiàn)場空壓機控制器的數(shù)據(jù)傳輸和控制?，F(xiàn)場設(shè)備層實現(xiàn)PLC系統(tǒng)的I/O點信息及各種智能儀表等的采集和上傳，同時傳送集中控制信號到現(xiàn)場設(shè)備，完成對現(xiàn)場參控設(shè)備的操作、控制、狀態(tài)監(jiān)視、信息傳輸及控制指令的傳達執(zhí)行。以下為系統(tǒng)方案架構(gòu)圖，如圖1所示。

5總結(jié)

本文以PLC控制系統(tǒng)為核心，監(jiān)控空壓機和附屬設(shè)備，并結(jié)合PID算法設(shè)計了一種空壓機無人值守聯(lián)動控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)能夠及時處理故障，節(jié)約能耗，同時減少維護人員的維護強度，減少故障處理影響時間，提高后勤部門維護的時效性，保障礦山正常生產(chǎn)，提高工作效率，降低勞動強度。減少壓風(fēng)電耗，避免不必要的浪費。

參考文獻

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黃拓. 空氣壓縮機PID節(jié)能控制[D].長安大學(xué)，2015.

（1983-），男，河北唐山人，碩士研究生，中級工程師，主要研究方向：電氣自動化控制。

2018YFC0604405）