鑿井期間空壓機站實現(xiàn)變頻節(jié)能及無人值守的控制系統(tǒng)研究

李小柱范文博

(中煤建設集團有限公司,北京 102200)

壓氣動力設備具有體積小、故障少和本質安全等特點,在礦山建設特別是煤礦建設項目中,應用較為普遍。近年來,針對生產礦井的空壓機站,國內開展了大量研究[1-4],礦井空壓機系統(tǒng)也在向高可靠性、節(jié)能降耗、高度自動化及便于維護等方向發(fā)展。但是,據(jù)了解,截至目前,國內外對于礦井建設期間的空壓機系統(tǒng)相關研究相對較少。

針對鑿井期間復雜多變的空壓機工況,采用PLC、變頻器、工控機及壓力傳感器來搭建空壓機調速控制硬件系統(tǒng),將多個空壓機集中控制;并采用模糊控制算法,結合壓力傳感器參數(shù),對空壓機壓力進行調節(jié)。本研究對鑿井期間的空壓機節(jié)能降耗具有重要意義,同時可實現(xiàn)空壓機站無人值守。

1 現(xiàn)狀分析

鑿井期間使用的空壓機額定排量主要有20和40 m3/min兩種,一般配置40+40+20 模式、40+40+40+20 模式或其他任意組合模式,空壓機站總壓氣量在100～160 m3/min之間。經過認真分析,發(fā)現(xiàn)鑿井施工現(xiàn)場存在如下問題:

(1)實際需風量變動范圍大。鑿井期間,每個段高的工序轉換頻繁。隨著鑿巖、裝藥、爆破、出渣和筑壁等工序的轉換,每天實際壓氣需用量在0～最大耗氣量之間劇烈波動,比生產礦井壓氣需用量波動范圍更大。

(2)單臺空壓機空載運行時間占比大,能耗高。鑿井期間,每臺空壓機為單機控制,未實現(xiàn)集中自動控制?？諌簷C通常在“加載”與“卸荷空載”兩種狀態(tài)之間來回切換,以實現(xiàn)壓氣需求與供給之間的動態(tài)平衡。據(jù)統(tǒng)計,鑿井期間,空壓機空載運行時間占整個機組運行時間的30%以上。而且空載運行時,經測定,其功耗約為額定功率的50%,即40 m3/min空壓機功耗約為130 k W,20 m3/min空壓機功耗約為65 k W,這部分能量白白浪費掉了。

(3)經常需要人工干預。每臺空壓機空載時間通常設定為20 min,當空載時間超過設定值時,空壓機自動停機,下次啟動時,需要專職電工就地啟動空壓機。鑿井期間,每個段高的工序轉換頻繁,壓氣需求變化較大,每天經常需要人工開?？諌簷C。

針對以上問題,設計了一套鑿井期間空壓機站控制系統(tǒng),節(jié)能優(yōu)化效果顯著,且可以實現(xiàn)“無人值守”。

2 控制系統(tǒng)總體方案設計

設計的控制系統(tǒng)總體架構方案如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)總體方案

該系統(tǒng)采用主電源+變頻器+PLC 主控制器+工控機+主、備空壓機+壓力采集傳感器+RS485傳輸總線布置的構架方案,有助于提高礦山鑿井中空壓機站控制系統(tǒng)的安全性及穩(wěn)定性。

農民集體成員代表訴訟的法律構造應當以增加訴訟激勵為旨歸，鼓勵最為適格的集體成員擁有足夠的激勵完成制度預期，通過創(chuàng)設排除訴訟障礙的各種具體規(guī)則增加集體成員的預期凈收益，從而提升集體成員提起代表訴訟的積極性，否則集體成員代表訴訟將形同虛設且難以實現(xiàn)保護農村集體財產的立法目標。

3 控制策略

鑿井期間的空壓機系統(tǒng)總體控制策略分為邏輯控制和反饋調速算法兩部分。

3.1 總體控制策略

空壓機屬于流體機械,其排量與轉速的一次方成正比,壓力與轉速的平方成正比,軸功率與轉速的三次方成正比。利用變頻器改變空壓機的轉速來調節(jié)排氣量,實現(xiàn)實際耗氣量與空壓機排氣量相近,盡可能減少空壓機空載運行時間,達到節(jié)能目的。

變頻器配置策略宜采用“1+N”模式。即在鑿井期間空壓機站中,宜將1臺額定排氣量較大的空壓機采用變頻拖動,其余空壓機采用工頻拖動。安裝空壓機站集中控制系統(tǒng),通過實時檢測壓氣干管的壓力值來實現(xiàn)閉環(huán)反饋;壓力值變化時,適時調整變頻器頻率,同時控制所有空壓機運行與停止,實現(xiàn)空壓機站變頻集中控制。具體方案如圖2所示。

圖2 總體控制策略

(1)當系統(tǒng)氣壓降低時,說明工作面壓氣需求大,此時變頻器頻率遞增;當變頻器增頻到50 Hz時,自動啟動1臺普通工頻空壓機。根據(jù)需求,逐次啟動普通空壓機。

(2)當系統(tǒng)氣壓增加時,說明工作面壓氣需求小,此時變頻器頻率遞減;當變頻器減頻到最低頻率時,自動停止1臺普通工頻空壓機。根據(jù)需求,逐次關停普通空壓機。

(3)變頻空載運行:普通工頻空壓機全部停止運行后,變頻空壓機以最低頻率運行。此時,壓力仍增加,變頻空壓機關閉進氣閥門,進入空載運行狀態(tài)。當變頻空壓機持續(xù)空載運行累計時間超過10 min 時,變頻空壓機自動停機,全部空壓機停機。

(4)系統(tǒng)自動啟動:控制系統(tǒng)應能自動識別壓氣管路自然漏氣或工作面用氣需求。當壓力降低速率明顯減小時,變頻空壓機自動啟動,“喚醒”空壓機站。

3.2 反饋調速模型搭建

由于鑿井期間的空壓機工況比生產礦井復雜,本系統(tǒng)擬采用模糊PID 控制算法來搭建空壓機反饋調速控制模型[5],如圖3所示。

圖3 模糊PID 控制原理

其中輸入壓力偏差e的變化范圍為[-0.15,0.15],量化因子Ke=20;偏差變化率ec的變化范圍為[-0.002,0.002],量化因子Kec=1 500[6]。e和ec兩者的變化范圍映射到模糊集上的基本論域為{-3,-2,-1,0,1,2,3}。模糊集合取為{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB},其中模糊子集含義分別為負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。

由于鑿井期間的礦井掘進工作面工況復雜,為了提高該控制系統(tǒng)精度,采用改良的模糊PID控制算法來進行控制。根據(jù)現(xiàn)場經驗,先設定Kp、Ki、Kd三個參數(shù)的基礎值,再對這3個參數(shù)的變化率ΔKp、ΔKi、ΔKd進行控制。ΔKp的論域為[-0.3,0.3]、ΔKi為[-0.06,0.06]、ΔKd為[-3,3]。其中,隸屬度函數(shù)選取Z型隸屬度函數(shù)和三角型隸屬度函數(shù)。模糊規(guī)則見表1～3。

表1 ΔKp的模糊規(guī)則

表2 ΔKi的模糊規(guī)則

表3 ΔKd的模糊規(guī)則

將得到的模糊集合通過重心法解模糊,得到最終的ΔKp、ΔKi、ΔKd;再通過PID 控制算法,即可計算出變頻器當前頻率,并通過模擬量,傳遞給變頻器。

通過Simulink來搭建模糊PID 控制模型;采用階躍信號,對此模糊PID 控制模型進行仿真,仿真結果如圖4所示。

圖4 模糊PID 和PID 效果比較

從圖4 可以看出,與傳統(tǒng)的PID 控制相比較,模糊PID 的超調量較小,幾乎沒有超調量;另外,響應速度更快,更加適用于工況相對復雜的鑿井期間空壓機控制。

4 設備選型

4.1 PLC選型

控制系統(tǒng)PLC 使用I/O 點數(shù)52,其中包含10個備用端子,模擬量點數(shù)為6。PLC 需要具備以太網端口及RS485端口。根據(jù)系統(tǒng)功能要求和現(xiàn)場實際工況需求,本系統(tǒng)選用西門子S7-1200 PLC作為系統(tǒng)的控制核心。

4.2 變頻器選型

該空壓機調速控制系統(tǒng)中,變頻器起著關鍵性作用。根據(jù)主、備電機的負載特性和實際工況,該系統(tǒng)采用高性能矢量變頻器。

5 現(xiàn)場應用

姑山鐵礦回風井井筒采用全深凍結法施工,井筒凈直徑5.0 m,全深295.023 m,掘砌段高3.6 m。

姑山鐵礦回風井井筒掘砌工程中,采用了前述空壓機站控制系統(tǒng);并采用對比試驗方法,進行了節(jié)能效果評價。在相鄰2個段高掘砌過程中,一個段高采用變頻集中控制模式,另一個段高采用工頻空壓機常規(guī)模式。試驗結果表明,工頻空壓機常規(guī)模式下,用電量為1 530 k W·h;變頻集中控制模式下,用電量972 k W·h,比工頻模式節(jié)電558 k W·h,節(jié)電率約36.47%。據(jù)不完全統(tǒng)計,正常掘砌情況下,每月可節(jié)約電能約15 000 k W·h。

6 結 論

所設計的空壓機調速控制系統(tǒng)以S7-1200 PLC作為該調速控制系統(tǒng)的軟件及硬件核心,可以實現(xiàn)對空壓機的調速控制;采用模糊PID算法,結合空壓機控制策略,處理鑿井過程中的復雜工況,延長了空壓機壽命,提高了鑿井過程中空壓機的安全可靠性,空壓機節(jié)能降耗效果顯著,實現(xiàn)了節(jié)能降耗目標,同時實現(xiàn)了空壓機的無人值守。