基于PID控制的空壓機(jī)無人值守系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(qiáng)礦山的科技水平，本文設(shè)計(jì)了一種基于PID控制的空壓機(jī)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(jī)及其附屬設(shè)備，并結(jié)合PID算法最終實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的無人值守聯(lián)動(dòng)控制。

關(guān)鍵詞：空壓機(jī);PID控制;無人值守

空壓機(jī)作為礦井提供動(dòng)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(shí)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(dòng)方式進(jìn)行啟停空壓機(jī)操作，并定期巡檢，記錄運(yùn)行情況，空壓機(jī)組無法自動(dòng)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，因此造成礦井空壓機(jī)運(yùn)行成本過高，耗電量較大且利用效率低下[2]。

通過自動(dòng)化控制能直觀在地面主控室對井下個(gè)采區(qū)和作業(yè)點(diǎn)的供風(fēng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和控制，便于地面對井下供風(fēng)狀況進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)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(qiáng)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(jì)了一種基于PID控制的空壓機(jī)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(diǎn)擊并拖拽以移動(dòng)與實(shí)際輸出值點(diǎn)擊并拖拽以移動(dòng)構(gòu)成偏差點(diǎn)擊并拖拽以移動(dòng)，這里，點(diǎn)擊并拖拽以移動(dòng)。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(jìn)行控制，具體如式（1）所示：

點(diǎn)擊并拖拽以移動(dòng) ? ?（1）

式（2）為傳遞函數(shù)：

點(diǎn)擊并拖拽以移動(dòng) ? ? ? ? ? ?（2）

這里，點(diǎn)擊并拖拽以移動(dòng)代表比例系數(shù)，點(diǎn)擊并拖拽以移動(dòng)代表積分時(shí)間常數(shù)，點(diǎn)擊并拖拽以移動(dòng)代表微分時(shí)間常數(shù);點(diǎn)擊并拖拽以移動(dòng)代表積分系數(shù);點(diǎn)擊并拖拽以移動(dòng)代表微分系數(shù)。

下面對PID控制器各環(huán)節(jié)作詳細(xì)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(diǎn)擊并拖拽以移動(dòng)，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(shí)，控制信號也隨之消失。故比例控制是對偏差進(jìn)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(qiáng)弱與積分時(shí)間常數(shù)呈負(fù)相關(guān)，點(diǎn)擊并拖拽以移動(dòng)越大，積分作用越弱，點(diǎn)擊并拖拽以移動(dòng)減小時(shí)則積分作用增強(qiáng)。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(shí)，為了加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間，在系統(tǒng)中引入早期修正信號。從時(shí)間上來講，比例環(huán)節(jié)是對系統(tǒng)當(dāng)前誤差進(jìn)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(diǎn)

系統(tǒng)方案特點(diǎn)包括空壓機(jī)、循環(huán)水泵、冷卻電機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟、停，電動(dòng)閥門控制并實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖控制;空壓機(jī)各運(yùn)行參數(shù)、故障、報(bào)警信息讀取到上位機(jī)，并在上位機(jī)畫面顯示;壓縮機(jī)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(yùn)行狀態(tài)等;通過以太網(wǎng)通訊方式將空壓機(jī)房數(shù)據(jù)上傳調(diào)度中心進(jìn)行集中監(jiān)測和控制;系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測空壓機(jī)的壓力（包括壓風(fēng)機(jī)排氣壓力、風(fēng)包壓力、冷卻水進(jìn)口壓力）、溫度（包括壓風(fēng)機(jī)排氣溫度、風(fēng)包溫度、冷卻水出口溫度）、振動(dòng)以及電氣參數(shù)（包括電機(jī)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(jī)啟停、冷卻水泵啟停、冷卻風(fēng)機(jī)啟停、冷卻閥門開關(guān)。

3系統(tǒng)方案功能

能夠及時(shí)處理故障，節(jié)約能耗，同時(shí)減少維護(hù)人員的維護(hù)強(qiáng)度，減少故障處理影響時(shí)間，提高后勤部門維護(hù)的時(shí)效性，保障礦山正常生產(chǎn)，提高工作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。減少壓風(fēng)電耗，避免不必要的浪費(fèi)。

3.1聯(lián)動(dòng)控制

實(shí)現(xiàn)多臺壓風(fēng)機(jī)及相關(guān)冷卻閥門的自動(dòng)聯(lián)動(dòng)控制，按程序自動(dòng)執(zhí)行啟停、加載和卸載。當(dāng)進(jìn)入無人值守模式時(shí)，系統(tǒng)則根據(jù)實(shí)際壓力對空壓機(jī)進(jìn)行自動(dòng)啟停操作，從而完成空壓機(jī)的自動(dòng)加載、卸載控制過程，最終實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)、冷卻水泵的自動(dòng)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(dòng)排污。

3.2設(shè)備的循環(huán)運(yùn)行，延長使用壽命

空壓機(jī)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(yùn)行，使其均勻磨損。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對空壓機(jī)和冷卻水泵的工作時(shí)長進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)自動(dòng)控制二者的循環(huán)運(yùn)行，盡可能地延長設(shè)備的使用壽命。

3.3保護(hù)及故障報(bào)警

實(shí)現(xiàn)潤滑油排氣系統(tǒng)定子溫度、電機(jī)定子溫度、冷卻水定子溫度超溫自動(dòng)報(bào)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(dòng)報(bào)警，過載溫度自動(dòng)停機(jī)、電源逆相、缺相保護(hù)、超過最大工作溫度壓力安全閥停止動(dòng)作、空氣污染物過濾器堵塞報(bào)警、油過濾器堵塞報(bào)警、油細(xì)分離器堵塞報(bào)警等，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)出現(xiàn)堵塞報(bào)警的情況對設(shè)備和主機(jī)各部位都作出了相應(yīng)的故障報(bào)警處理，監(jiān)控設(shè)備和主機(jī)同時(shí)自動(dòng)發(fā)出了相應(yīng)的聲音文字及圖像和語音的報(bào)警，系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)時(shí)顯示、記錄或自動(dòng)打印故障的性質(zhì)、故障的地點(diǎn)及其發(fā)生原因和故障的持續(xù)時(shí)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(jī)和附屬設(shè)備，來實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)無人值守聯(lián)動(dòng)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(jì)算機(jī)壓風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用人機(jī)交互界面與客戶端和交換機(jī)組成了監(jiān)控信息層，可實(shí)現(xiàn)報(bào)表查詢，在線監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)管理及視頻監(jiān)控畫面顯示等功能。由上位工控機(jī)和PLC控制系統(tǒng)、硬盤錄像機(jī)等設(shè)備所組成PLC控制層作為中間層，通過光纖進(jìn)行通訊連接，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備的集中控制。通過modbus通訊實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場空壓機(jī)控制器的數(shù)據(jù)傳輸和控制。現(xiàn)場設(shè)備層實(shí)現(xiàn)PLC系統(tǒng)的I/O點(diǎn)信息及各種智能儀表等的采集和上傳，同時(shí)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(dá)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(jī)和附屬設(shè)備，并結(jié)合PID算法設(shè)計(jì)了一種空壓機(jī)無人值守聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)能夠及時(shí)處理故障，節(jié)約能耗，同時(shí)減少維護(hù)人員的維護(hù)強(qiáng)度，減少故障處理影響時(shí)間，提高后勤部門維護(hù)的時(shí)效性，保障礦山正常生產(chǎn)，提高工作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。減少壓風(fēng)電耗，避免不必要的浪費(fèi)。

參考文獻(xiàn)

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（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(dòng)化控制。

2018YFC0604405）