【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 置于運(yùn)行狀態(tài)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)組運(yùn)行。1 空壓機(jī)變頻啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速?gòu)牧汩_(kāi)始上升，若達(dá)到預(yù)設(shè)的頻率上限值50Hz時(shí)，延時(shí)一段時(shí)間后風(fēng)包出口處的壓力仍不能達(dá)到預(yù)設(shè)的壓力值 ，則由PLC 通過(guò)控制中間繼電器的通斷將 1 空壓機(jī)切換到工頻運(yùn)行，同時(shí)將2空氣壓縮機(jī)切換到變頻狀態(tài)，變頻啟動(dòng)2空壓機(jī)。若2空壓機(jī)達(dá)到頻率上限時(shí)，延時(shí)一段時(shí)間后仍不能滿足要求，再自動(dòng)將2空壓機(jī)切換到工頻運(yùn)行，變頻啟動(dòng)3空壓機(jī)。當(dāng)用風(fēng)量減小，若3臺(tái)空壓機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，3 空壓機(jī)變頻運(yùn)行而此時(shí)變頻器的頻率降到頻率的下限值20Hz時(shí)，則自動(dòng)停止1空壓機(jī)，若還不能滿足要求，則自動(dòng)停止2 空壓機(jī)的運(yùn)行。當(dāng)空壓機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中出現(xiàn)機(jī)體溫度過(guò)高，潤(rùn)滑油溫度過(guò)高，風(fēng)包溫度過(guò)高，分包壓力過(guò)高及潤(rùn)滑油壓力過(guò)高，斷水等故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，提示有關(guān)的工作人員及時(shí)地排除故障。開(kāi)始變頻器啟動(dòng)頻率上限是否達(dá)到頻率下限是否達(dá)到監(jiān)測(cè)參數(shù)是否正常是否有停機(jī)信號(hào)停機(jī)轉(zhuǎn)化為工頻運(yùn)行并把變頻器切換到下一臺(tái)空壓機(jī)當(dāng)前空壓機(jī)停機(jī)并把變頻器復(fù)位報(bào)警延時(shí)YYNYYNN 控制系統(tǒng)流程圖該系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種運(yùn)行方式：(1)手動(dòng)運(yùn)行方式選擇此方式時(shí)，按啟動(dòng)按鈕空壓機(jī)或停止按鈕，可根據(jù)需要而分別啟停各空壓機(jī)。這種方式僅供檢修或控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)使用。(2)自動(dòng)運(yùn)行方式在自動(dòng)運(yùn)行方式下開(kāi)始啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，首先打開(kāi)冷卻水閥，關(guān)閉供氣閥，1空壓機(jī)變頻交流接觸器吸合，電機(jī)與變頻器連通（）變頻器輸出頻率從0Hz開(kāi)始上升，此時(shí)壓力變送器檢測(cè)壓力信號(hào)反饋PLC，由PLC經(jīng)PID運(yùn)算后控制變頻器的頻率輸出；如壓力不夠，則頻率上升至50Hz，延時(shí)一定時(shí)間后，將1空壓機(jī)切換為工頻，2空壓機(jī)變頻交流接觸器吸合，變頻啟動(dòng)2空壓機(jī)，頻率逐漸上升，直至供氣壓力達(dá)到設(shè)定壓力，依次類推增加空壓機(jī)。變頻調(diào)速系統(tǒng)將管網(wǎng)壓力作為控制對(duì)象，裝在儲(chǔ)氣管出氣口的壓力變送器將儲(chǔ)氣罐的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送給PLC內(nèi)部PID調(diào)節(jié)器，與壓力給定值進(jìn)行比較，并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生控制信號(hào)去控制變頻器的輸出電壓和逆變頻率。當(dāng)壓力小于設(shè)定值時(shí)，頻率升為50HZ，延時(shí)30s后，若測(cè)量值仍小于設(shè)定值，則變頻器切換為工頻運(yùn)行，同時(shí)變頻器啟動(dòng)下一臺(tái)空壓機(jī)，依次啟動(dòng)各臺(tái)空壓機(jī)。當(dāng)壓力大于設(shè)定值時(shí)，通過(guò)PID調(diào)節(jié)降低頻率，當(dāng)頻率降為20HZ，延時(shí)30s后，若測(cè)量值仍大于設(shè)定值，則變頻器切換到下一正在運(yùn)行的空壓機(jī)進(jìn)行調(diào)速，同時(shí)關(guān)閉當(dāng)前機(jī)。依次關(guān)閉各臺(tái)空壓機(jī)。從而使實(shí)際壓力始終維持在給定壓力。正常情況下，空氣壓縮機(jī)在變頻器調(diào)速控制方式下工作。變頻器一旦出現(xiàn)故障，煤炭生產(chǎn)不允許空氣壓縮機(jī)停機(jī)，因此，系統(tǒng)設(shè)置了工頻與變頻切換功能，這樣當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，可由工頻電源通過(guò)接觸器直接供電，使空氣壓縮機(jī)照常工作。整個(gè)控制過(guò)程如下：用氣需求↑ —— 管路氣壓↓—— 壓力設(shè)定值與反饋值的差值↑ —— PID輸出↑ —— 變頻器輸出頻率↑ —— 空壓機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速↑ —— 供氣流量↑—— 管路氣壓趨于穩(wěn)定特別注意：為防止電機(jī)頻繁起制動(dòng)和變速，在壓力容差范圍內(nèi)，變頻器的輸出頻率不變。開(kāi)始上電初始化冷卻水壓力潤(rùn)油壓力 電氣故障啟動(dòng)運(yùn)行報(bào)警及故障處理NＮＹＮＹＹ空壓機(jī)變頻調(diào)速的要求：(1)空壓機(jī)是大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載，這種啟動(dòng)特點(diǎn)很容易引起變頻器在啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)跳過(guò)流保護(hù)的情況，故采用具有高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的無(wú)速度矢量變頻器，保證既能實(shí)現(xiàn)恒壓供氣的連續(xù)性，又可保證設(shè)備可靠穩(wěn)定的運(yùn)行；(2)空壓機(jī)不允許長(zhǎng)時(shí)間在低頻下運(yùn)行，空壓機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)低，一方面使空壓機(jī)穩(wěn)定性變差，另一方面也使缸體潤(rùn)滑度變差，會(huì)加快磨損。所以工作下限應(yīng)不低于20Hz；(3）功率選用比空壓機(jī)功率大一等級(jí)的變頻器，以免空壓機(jī)啟動(dòng)出現(xiàn)頻繁跳閘的情況；(4)為了有效的濾除變頻器輸出電流中的高次諧波分量，減少因高次諧波引起的電磁干擾，選用輸出交流電抗器，還可以減少電機(jī)運(yùn)行的噪音，提高電機(jī)的穩(wěn)定性；(5)系統(tǒng)應(yīng)具備變頻和工頻兩套控制回路，確保變頻出現(xiàn)異常跳保護(hù)時(shí)，不影響生產(chǎn)。開(kāi)始時(shí)，若1空壓機(jī)變頻啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速?gòu)?開(kāi)始隨頻率上升，如變頻器頻率達(dá)到50Hz而此時(shí)空氣壓力還在下限值，延時(shí)一段時(shí)間（避免由于干擾而引起的誤動(dòng)作）后，1空壓機(jī)切換為工頻運(yùn)行，同時(shí)變頻器頻率由50Hz下降至0Hz，2號(hào)空壓機(jī)變頻起動(dòng)，如氣壓仍不滿足，則會(huì)啟動(dòng)3空壓機(jī)，切換過(guò)程同上；同樣，若3臺(tái)空壓機(jī)（假設(shè)3）都在運(yùn)行，3空壓機(jī)變頻運(yùn)行降到0HZ，此時(shí)氣壓仍處于上限值，則延時(shí)一段時(shí)間后使1空壓機(jī)停止，變頻器頻率從0HZ迅速上升，若此時(shí)供氣壓力仍處于上限值，則延時(shí)一段時(shí)間后使2空壓機(jī)機(jī)停止。這樣的切換過(guò)程，有效的減少空壓機(jī)的頻繁啟停，同時(shí)在實(shí)際管網(wǎng)對(duì)供氣壓力波動(dòng)做出反應(yīng)之前，由于變頻器迅速調(diào)節(jié)，使氣壓平穩(wěn)過(guò)渡，從而有效的避免了井下風(fēng)動(dòng)工具供氣不足的情況發(fā)生。開(kāi)始1空壓機(jī)變頻運(yùn)行添加工作空壓機(jī)1空壓機(jī)變pinn頻運(yùn)行1空壓機(jī)停止運(yùn)行減少工作空壓機(jī)輸出頻率輸出頻率輸出頻率上限上限延時(shí)5s延時(shí)5s延時(shí)5s上限延時(shí)5s延時(shí)5s下限下限正常 空壓機(jī)切換流程圖在自動(dòng)狀態(tài)下系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，首先 KM2 吸合，1空壓機(jī)在變頻器控制下起動(dòng)，延時(shí) 5s（延時(shí)是為了讓壓力穩(wěn)定下來(lái)） PLC 對(duì)變頻器的輸出頻率進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到變頻器下限頻率信號(hào)則關(guān)閉 1空壓機(jī)；反之當(dāng)檢測(cè)到變頻器上限頻率信號(hào)則 PLC 執(zhí)行增加空壓機(jī)動(dòng)作：KM2斷開(kāi)、KM1吸合，1空壓機(jī)改為工頻運(yùn)行并延時(shí) 1s（延時(shí)一是為了讓開(kāi)關(guān)充分熄弧，另一方面是為了讓變頻器減速為 0，KM4 吸合變頻啟動(dòng)2空壓機(jī)。為了保護(hù)空壓機(jī)及變頻器，1空壓機(jī)的 KM1 與 KM2之間進(jìn)行了電氣互鎖。當(dāng)2空壓機(jī)投入變頻運(yùn)行后，延時(shí) 5s PLC 繼續(xù)對(duì)變頻器輸出頻率進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到變頻器下限頻率信號(hào)則關(guān)閉1空壓機(jī)，剩下2空壓機(jī)在變頻狀態(tài)下運(yùn)行，延時(shí) 5s 如果 PLC 再次檢測(cè)到變頻器下限頻率信號(hào)則把2空壓機(jī)也關(guān)閉；反之當(dāng)檢測(cè)到變頻器上限頻率信號(hào)則 PLC 再執(zhí)行增泵動(dòng)作：KM3斷開(kāi)、KM4 吸合，2空壓機(jī)改為工頻運(yùn)行并延時(shí) 1s，KM6吸合變頻啟動(dòng)3空壓機(jī)。依此類推，當(dāng)3空壓機(jī)投入變頻運(yùn)行后，延時(shí) 5s，PLC 繼續(xù)對(duì)變頻器輸出頻率進(jìn)行檢測(cè)以決定執(zhí)行增加或減少空壓機(jī)動(dòng)作來(lái)滿足恒壓供氣目的。另外為了方便故障檢查維修。在設(shè)計(jì)中增加了故障指示和故障報(bào)警輸出，變頻器本身具有短路保護(hù)、過(guò)載保護(hù)等功能，只需把變頻器的故障輸出點(diǎn)、接觸器、熱繼電器等輔助觸點(diǎn)接到 PLC 即可。PLC通過(guò)程序掃描這些輸入點(diǎn)，如果發(fā)生故障則作出相應(yīng)的動(dòng)作。如檢測(cè)到一臺(tái)空壓機(jī)出現(xiàn)過(guò)載情況，則切斷該空壓機(jī)的接觸器并投入備用空壓機(jī)，同時(shí)輸出故障信號(hào)，以方便檢查及時(shí)維修。(1)上位機(jī)與PLC的通信在工控領(lǐng)域中PLC通常作為下位機(jī)使用，工業(yè)計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)視空壓機(jī)的運(yùn)行狀況，查看壓力、溫度、運(yùn)行時(shí)間、電機(jī)電壓、電機(jī)電流、輸出功率等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，記錄并存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)的查詢和打印功能。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有動(dòng)作或者出現(xiàn)故障時(shí)能夠彈出提示消息并記錄存儲(chǔ)下來(lái)。在遠(yuǎn)程控制允許的情況下，值班人員還可以遠(yuǎn)程控制空壓機(jī)。遠(yuǎn)程監(jiān)控方便了調(diào)度，提高了管理自動(dòng)化水平，是煤礦信息化發(fā)展的需要?！　∑渌ㄊ肿詣?dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、緊急停止按鈕、聲光報(bào)警器等。在PLC和上位機(jī)之間的通訊中，PLC通過(guò)以太網(wǎng)模塊CP3431接入工業(yè)以太網(wǎng)，上位機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。選擇接口類型為工業(yè)Ethernet，通信速率為100Mbps，設(shè)置PLC和上位機(jī)的IP地址。在煤礦空壓機(jī)組的監(jiān)控系統(tǒng)中，用來(lái)控制空壓機(jī)的PLC系統(tǒng)作為下位機(jī)，與調(diào)度室內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)即上位機(jī)組成一個(gè)小型的工業(yè)以太網(wǎng)，進(jìn)行PLC系統(tǒng)工作狀態(tài)的反饋和對(duì)PLC系統(tǒng)發(fā)送控制信號(hào)。(2)PLC與變頻器的通信本系統(tǒng)中PLC對(duì)變頻器的控制是通過(guò)串行通訊的方式實(shí)現(xiàn)的，PLC通過(guò)RS485通訊口方式與變頻器通訊，控制變頻器的運(yùn)行，讀取變頻器自身的電壓、電流、功率、頻率、和過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)負(fù)荷等全部報(bào)警信息等參數(shù)。該過(guò)程最多分5個(gè)階段。計(jì)算機(jī)發(fā)出通訊請(qǐng)求；變頻器處理等待；變頻器作出應(yīng)答；計(jì)算機(jī)處理等待；計(jì)算機(jī)作出應(yīng)答。根據(jù)不同的通訊要求完成相應(yīng)的過(guò)程，如寫(xiě)變頻器啟?？刂泼顣r(shí)完成1～3三個(gè)過(guò)程；監(jiān)視變頻器運(yùn)行頻率時(shí)完成1～5個(gè)過(guò)程。不論是寫(xiě)數(shù)據(jù)還是讀數(shù)據(jù)，均有計(jì)算機(jī)發(fā)出請(qǐng)求，變頻器只是被動(dòng)接受請(qǐng)求并作出應(yīng)答。在工業(yè)控制中，PID (Proportion Integral Differential)控制是工業(yè)控制中最常用的方法。但是，它具有一定的局限性：當(dāng)控制對(duì)象不同時(shí)，控制器的參數(shù)難以自動(dòng)調(diào)整以適應(yīng)外界環(huán)境的變化。為了使控制器具有較好的自適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整，可以采用模糊控制方法。模糊控制已成為智能自動(dòng)化控制研究中最為活躍而富有成果的領(lǐng)域。其中，模糊PID控制技術(shù)扮演了十分重要的角色，并且仍將成為未來(lái)研究與應(yīng)用的重點(diǎn)技術(shù)之一。到目前為止，現(xiàn)代控制理論在許多控制應(yīng)用中獲得了大量成功的范例。然而在工業(yè)過(guò)程控制中，PID類型的控制技術(shù)仍然占有主導(dǎo)地位。雖然未來(lái)的控制技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)越來(lái)越寬廣，被控對(duì)象可以是越來(lái)越復(fù)雜，相應(yīng)的控制技術(shù)也會(huì)變得越來(lái)越精巧，但是以PID為原理的各種控制器將是過(guò)程控制中不可或缺的基本控制單元。利用模糊控制理論的特性，結(jié)合傳統(tǒng)的PID控制理論，構(gòu)造模糊 PID控制器，可實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整[3]。PID控制器系統(tǒng)原理框圖如圖46所示。將偏差的比例（KP ）、積分(KI)和微分(KD)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，KP、KI、KD 3個(gè)參數(shù)的選取直接影響了控制效果。比例積分微分被控對(duì)象ｅ（ｔ）ｕ（ｔ） PID控制器系統(tǒng)原理圖在經(jīng)典PID控制中，給定值與測(cè)量值進(jìn)行比較，得出偏差e(t)，并依據(jù)偏差情況，給出控制作用u(t)。對(duì)連續(xù)時(shí)間類型，PID控制方程的標(biāo)準(zhǔn)形式為： （41）式(41)中，u(t)為PID控制器的輸出，與執(zhí)行器的位置相對(duì)應(yīng)；t為采樣時(shí)間；KP 為控制器的比例增益；e(t)為PID控制器的偏差輸入，即給定值與測(cè)量值之差；TI為控制器的積分時(shí)間常數(shù)；TD為控制器的微分時(shí)間常數(shù)。數(shù)字式PID控制器的表示函數(shù)為: （42）公式(42)中：e(n)為系統(tǒng)偏差；ec(n)為系統(tǒng)偏差變化率； KP 為比例系數(shù)；KI為積分作用系數(shù)；KD為微分作用系數(shù)。 KP 值影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度； KP 越大，系統(tǒng)響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，如果過(guò)大，將引起超調(diào)，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。KI值影響系統(tǒng)的穩(wěn)定精度；KI越大，系統(tǒng)靜態(tài)誤差消除越快，但如果過(guò)大，在響應(yīng)過(guò)程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和的現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過(guò)程的較大超調(diào)。KD值影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性；它主要抑制響應(yīng)誤差的變化，如果KD過(guò)大，會(huì)使響應(yīng)過(guò)分提前制動(dòng)，從而延長(zhǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間。510152025300t/sMPa PID響應(yīng)曲線由分析系統(tǒng)的響應(yīng)曲線（）可知，在函數(shù)U(n)響應(yīng)的初始階段，取較大的KP和較小的KI與KD，可以使響應(yīng)曲線的斜率增大，加快其響應(yīng)速度。在函數(shù)U(n)接近輸出值時(shí)，迅速增大KD，并逐步減小KP，使系統(tǒng)獲得較大的阻尼，抑制系統(tǒng)超調(diào)，減小響應(yīng)誤差的變化率。當(dāng)函數(shù)U(n)達(dá)到其輸出值時(shí)，應(yīng)使KI增大，迅速消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。根據(jù)偏差e(n)和偏差變化率ec(n)值的不同，在線適當(dāng)調(diào)節(jié)參數(shù)KP、KI和KD值，可以有效提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度，減小超調(diào)并縮短響應(yīng)時(shí)間，提高系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。西門(mén)子公司從S7200系列PLC中的CPU215, CPU216開(kāi)始增加了用于閉環(huán)控制的PID模塊。它是通過(guò)PID調(diào)節(jié)器來(lái)調(diào)節(jié)輸出，保證偏差值e為零，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在系統(tǒng)中，偏差值e是給定值SP(希望值)和過(guò)程變量PV(實(shí)際值)的差。PID控制的原理基于下面的算式： (43)其中： M(t)： PID回路的輸出，是時(shí)間的函數(shù)。 Kc： PID回路的增益。 e： PID回路的偏差(給定值與過(guò)程變量之差) 。 Minitial：PID回路輸出的初始值。 S7300系列PLC中的CPU313提供了用于閉環(huán)控制PID運(yùn)算指令，用戶只需在PLC的內(nèi)存中填寫(xiě)一張PID控制參數(shù)表（見(jiàn)表41）再執(zhí)行指令：“PID Table Loop”即可完成PID運(yùn)算，其中操作數(shù)Table表使用變量存儲(chǔ)器VBx來(lái)指明控制參數(shù)表的表頭字節(jié)；操作數(shù)Loop只可選擇07的整數(shù)，表示本次PID閉環(huán)控制所針對(duì)的環(huán)路編號(hào)，最多8路。控制參數(shù)包括9個(gè)參數(shù)，全部為32位實(shí)數(shù)格式，共占用36字節(jié)。附表中的參數(shù)分兩類。一類參數(shù)是固定不變的，如參數(shù)編號(hào)為2,4,5,6,7的參數(shù)，這些參數(shù)可在PLC的主程序中設(shè)定。另外一類參數(shù)必須在調(diào)用PID指令時(shí)才填入控制表格。如編號(hào)為1,3,8,9的參數(shù)，它們具有實(shí)時(shí)性。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn):其中有一些參數(shù)，既是本次的輸入(執(zhí)行PID指令之前)，又是本次的輸出(執(zhí)行PID指令之后)，同時(shí)還是下次運(yùn)算的輸入，如編號(hào)為3,8,9的參數(shù)。表41中變量類型欄的In/Out應(yīng)理解為相對(duì)于PID控制器而言的輸入或輸出。表41 控制參數(shù)參數(shù)編號(hào)地址偏移量（字節(jié)）變量名變量類型備注150PVnIN調(diào)節(jié)量254SPnIN給定量358MnIN/OUT控制量462KCIN比例增益566TSIN采樣時(shí)間（s）670TIIN積分時(shí)間（min）774TDIN微分時(shí)間（min）8