【文章內(nèi)容簡介】 故障自診斷：空壓機(jī)內(nèi)部一般有四個需要監(jiān)測的量：冷卻水 壓力監(jiān)測、潤滑油監(jiān)測、機(jī)體溫度監(jiān)測、儲氣罐壓力監(jiān)測。 控制系統(tǒng)的工作原理 啟動前，將變頻器的機(jī)組開關(guān)置于欲工作的機(jī)組，工作方式選擇置于變頻位置，將 PLC 的控制開關(guān)置于運(yùn)行狀態(tài)，按下啟動按鈕，機(jī)組運(yùn)行。 1 空壓機(jī)變頻啟動，轉(zhuǎn)速從零開始上升，若達(dá)到預(yù)設(shè)的頻率上限值 50Hz 時，延時一段時間后風(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，同時將2空氣壓縮機(jī)切換到變頻狀態(tài)，變頻啟動 2空壓機(jī)。若 2空壓機(jī)達(dá)到頻率 上限時，延時一段時間空壓機(jī) 空壓機(jī) 空壓機(jī) M1 M2 M3 壓力變送器 變頻器 PLC 電源 儲氣與供氣管道 畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 后仍不能滿足要求，再自動將 2空壓機(jī)切換到工頻運(yùn)行，變頻啟動 3空壓機(jī)。當(dāng)用風(fēng)量減小，若3 臺空壓機(jī)同時運(yùn)行時， 3 空壓機(jī)變頻運(yùn)行而此時變頻器的頻率降到頻率的下限值 20Hz 時，則自動停止 1空壓機(jī)，若還不能滿足要求，則自動停止 2 空壓機(jī)的運(yùn)行。當(dāng)空壓機(jī)在運(yùn)行的過程中出現(xiàn)機(jī)體溫度過高，潤滑油溫度過高，風(fēng)包溫度過高，分包壓力過高及潤滑油壓力過高，斷水等故障時，系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警信號，提示有關(guān)的工作人員及時地排除故障?？刂葡到y(tǒng)工作流程如圖 42所示。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 圖 42 控制系統(tǒng)流程圖 該系統(tǒng)具有手動和自動兩種運(yùn)行方式： (1)手動運(yùn)行方式 選擇此方式時，按啟動按鈕空壓機(jī)或停止按鈕，可根據(jù)需要而分別啟停各空壓機(jī)。這種方式開始 變頻器啟動 頻率上限是否達(dá)到 頻率下限是否達(dá)到 監(jiān) 測參 數(shù)是否正常 是否有停機(jī)信號 停機(jī) 轉(zhuǎn)化為工頻 運(yùn)行并把變頻器切換到下一臺空壓機(jī) 當(dāng)前空壓機(jī)停機(jī)并把變頻器復(fù)位 報警延時 Y Y N Y Y N N 畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 僅供檢修或控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時使用。 (2)自動運(yùn)行方式 在自動運(yùn)行方式下開始啟動運(yùn)行時，首先打開冷卻水閥，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（啟動過程如圖 43）變頻器輸出頻率從 0Hz開始上升，此時壓力變送器檢測壓力信號反饋 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， 延時一定時間后，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 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)壓力作為控制對象，裝在儲氣管出氣口的壓力變送器將儲氣罐的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査徒o 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，頻率升為 50HZ，延時 30s 后，若測量值仍小于設(shè)定值，則變頻器切換為工頻運(yùn)行，同時變頻器啟動下一臺空壓機(jī) ，依次啟動各臺空壓機(jī)。當(dāng)壓力大于設(shè)定值時，通過 PID 調(diào)節(jié)降低頻率，當(dāng)頻率降為 20HZ，延時 30s 后，若測量值仍大于設(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，同時關(guān)閉當(dāng)前機(jī)。依次關(guān)閉各臺空壓機(jī)。 從而使實際壓力始終維持在給定壓力。另外，采用該方案后，空氣壓縮機(jī)電動機(jī)從靜止到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可由變頻器實現(xiàn)軟啟動，避免了啟動時的大電流和啟動給空氣壓縮機(jī)帶來的機(jī)械沖擊。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，可由工頻電源通過接觸器直接供電，使空氣壓縮機(jī)照常工作。 整個控制過程如下： 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)頻繁起制動和變速， 在壓力容差范圍內(nèi)，變頻器的輸出頻率不變。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 圖 43啟動過程 空壓機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)原理如圖 44所示。 開始 上電初始化 冷卻水壓力 潤 油 壓力 電氣故障 啟動運(yùn)行 報警及故障處理 N Ｎ Ｙ Ｎ Ｙ Ｙ 畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 圖 44 空壓機(jī)變頻調(diào)速原理圖 空壓機(jī)變頻調(diào)速的要求： (1)空壓機(jī)是大轉(zhuǎn)動慣量負(fù)載，這種啟動特點(diǎn)很容易引起變頻器在啟動時出現(xiàn)跳過流保護(hù)的情況，故采用具有高啟動轉(zhuǎn)矩的無速度矢量變頻器，保證既能實現(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)不允許長時間在低頻下運(yùn)行，空壓機(jī)轉(zhuǎn)速過低，一方面使空壓機(jī)穩(wěn)定性變差，另一方面也使缸體潤滑度變差，會加快磨損。所以工作下限應(yīng)不低于 20Hz； (3）功率選用比空壓機(jī)功率大一等級的變頻器，以免空壓機(jī)啟動出現(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)設(shè)計的系統(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，不影響生產(chǎn)。 上位機(jī) 報警裝 置 PLC 變頻器 1空壓機(jī) 2空壓機(jī) 1空壓機(jī) 檢測變送裝置 檢測變送裝置 檢測變送裝置 畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 空壓機(jī)切換工作過程 開始時，若 1空壓機(jī)變頻啟動，轉(zhuǎn)速從 0 開始隨頻率上升，如變頻器頻率達(dá)到 50Hz 而此時空氣壓力還在下限值，延時一段時間（避免由于干擾而引起的誤動作）后， 1空壓機(jī)切換為工頻運(yùn)行，同時變頻器頻率由 50Hz下降至 0Hz， 2號空壓機(jī)變頻起動，如氣壓仍不滿足，則會啟動 3空壓機(jī)，切換過程同上 ；同樣，若 3臺空壓機(jī)（假設(shè) 3）都在運(yùn)行， 3空壓機(jī)變頻運(yùn)行降到 0HZ，此時氣壓仍處于上限值，則延時一段時間后使 1空壓機(jī)停止，變頻器頻率從 0HZ 迅速上升，若此時供氣壓力仍處于上限值，則延時一段時間后使 2空壓機(jī)機(jī)停止。這樣的切換過程，有效的減少空壓機(jī)的頻繁啟停，同時在實際管網(wǎng)對供氣壓力波動做出反應(yīng)之前，由于變頻器迅速調(diào)節(jié)，使氣壓平穩(wěn)過渡，從而有效的避免了井下風(fēng)動工具供氣不足的情況發(fā)生。切換過程流程圖如圖 45所示。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 圖 45 空壓機(jī)切 換流程圖 在自動狀態(tài)下系統(tǒng)啟動時，首先 KM2 吸合， 1空壓機(jī)在變頻器控制下起動，延時 5s（延時是為了讓壓力穩(wěn)定下來） PLC 對變頻器的輸出頻率進(jìn)行檢測。當(dāng)檢測到變頻器下限頻率信號則關(guān)閉 1空壓機(jī)；反之當(dāng)檢測到變頻器上限頻率信號則 PLC 執(zhí)行增加空壓機(jī)動作： KM2斷開、 KM1開始 1空壓機(jī)變頻運(yùn) 行 添加工作空壓 機(jī) 1空壓機(jī)變頻運(yùn)行 1空壓機(jī)停止運(yùn)行 減 少工作空壓機(jī) 變頻器輸出頻率 變頻器輸出頻率 變頻器輸出頻率 上限 上限 延時 5s 延時 5s 延時 5s 上限 延時 5s 延時 5s 下限 下限 正常 畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 吸合， 1空壓機(jī)改為工頻運(yùn)行并延時 1s（延時一是為了讓開關(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 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 5s PLC 繼續(xù)對變頻器輸出頻率進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測到變頻器下限頻率信號則關(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 5s 如果 PLC 再次檢測到變頻器下限頻率信號則把 2空壓機(jī)也關(guān)閉；反之當(dāng)檢測到變頻器上限頻率信號則 PLC 再執(zhí)行增泵動作： KM3斷開、 KM4 吸合， 2空壓機(jī)改為工頻運(yùn)行并延時 1s， KM6吸合變頻啟動 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 5s， PLC 繼續(xù)對變頻器輸出頻率進(jìn)行檢測以決定執(zhí)行增加或減少空壓機(jī)動作來滿足恒壓供氣目的。另外為了方 便故障檢查維修。在設(shè)計中增加了故障指示和故障報警輸出，變頻器本身具有短路保護(hù)、過載保護(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)的動作。如檢測到一臺空壓機(jī)出現(xiàn)過載情況，則切斷該空壓機(jī)的接觸器并投入備用空壓機(jī)，同時輸出故障信號，以方便檢查及時維修。 通信方式 (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)計算機(jī)作為上位機(jī)，通過網(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)行時間、電機(jī)電 壓、電機(jī)電流、輸出功率等實時數(shù)據(jù)，記錄并存儲歷史數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)的查詢和打印功能。當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備有動作或者出現(xiàn)故障時能夠彈出提示消息并記錄存儲下來 。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，提高了管理自動化水平，是煤礦信息化發(fā)展的需要。 其他元件包括手自動轉(zhuǎn)換開關(guān)、緊急停止按鈕、聲光報警器等。 在 PLC 和上位機(jī)之間的通訊中， PLC 通過以太網(wǎng)模塊 CP3431接入工業(yè)以太網(wǎng)，上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。選擇接口類型為工業(yè) Ether，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 PLC系統(tǒng)發(fā)送控制信號。 (2)PLC與變頻器的通信 本系統(tǒng)中 PLC對變頻器的控制是通過串行通訊的方式實現(xiàn)的， PLC通過 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、和過壓、過流、過負(fù)荷等全部報警信息等參數(shù)。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 該過程最多分 5 個階段。 計算機(jī)發(fā)出通訊請求； 變頻器處理等待； 變頻器作出應(yīng)答； 計算機(jī)處理等待； 計算機(jī)作出應(yīng)答。根據(jù)不同的通訊要求完成相應(yīng)的過程，如寫變頻器啟停控制命令時完成 1～ 3三個過程；監(jiān)視變頻器運(yùn)行頻率時完成 1～ 5個過程。不論是寫數(shù)據(jù)還是讀數(shù)據(jù)，均有計算機(jī)發(fā)出請求，變頻器只是被動接受請求并作出應(yīng)答。 控制系統(tǒng)概述 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)控制對象不同時，控制器的參數(shù)難以自動調(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，實現(xiàn)控 制器參數(shù)的自動調(diào)整，可以采用模糊控制方法。 模糊控制已成為智能自動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。雖然未來的控制技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域會越來越寬廣，被控對象可以是越來越復(fù)雜，相應(yīng)的控制技術(shù)也會變得越來越精巧，但是以 PID為原理的各種控制器將是過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，可實現(xiàn)控制器參數(shù)的自動調(diào)整。 PID控制器系統(tǒng)原理框圖如圖 46所示。將偏差的比例（ KP 錯誤 !未指定書簽。 ）、積分 (KI)和微分(KD)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制， KP、 KI、 KD 3個參數(shù)的選取直接影響了控制效果。 圖 46 ＰＩＤ控制器系統(tǒng)原理圖 比例 積分 微分 被控對象 ｅ（ｔ） ｕ（ｔ） 畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 在經(jīng)典 PID控制中，給定值與測量值進(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)。對連續(xù)時間類型， PID控制方程的標(biāo) 準(zhǔn)形式為： ])()()([)( dt tdeTTdtteteKtu DIp ??? ? （ 41） 式 (41)中， u(t)為 PID控制器的輸出，與執(zhí)行器的位置相對應(yīng)； t為采樣時間； KP 錯誤 !未指定書簽。 為控制器的比例增益； e(t)為 PID 控制器的偏差輸入，即給定值與測量值之差； TI錯誤 !未指定書簽。 為控制器的積分時間常數(shù)； TD為控制器的微分時間常數(shù)。 數(shù)字式 PID控制器的表示函數(shù)為 : )()()()( neKneKneKnU cDIp ??? ? （ 42） 公式 (4