压风机PLc控制系统

4．控制系统设计方案4.1控制系统组成控制系统由以下部分组成：变频器、可编程控制器、电抗器、压力变送器、接触器、空气开关、电流表、电压表、按钮、互感器等。基于PLC的控制系统原理图如图4.1所示图4.1控制系统简图PLC由电源、CPU、模拟量输入、输出模块、开关量输入、输出模块等组成。其用来实现电气部分的控制。包括五部分：起动、运行、停止、切换、报警及故障自诊断。起动：三台电机M1，M2，M3如图4-1所示，可以通过转换开关选择变频/工频启动。运行：正常情况，电机M1处于变频调速状态，电动机M2、M3处于停机状态。现场压力变送器检测管网出口压力，并与给定值比较，经PID指令运算，得到频率信号，调节变频器的输出频率，以调节电动机的转速，达到所需压力的目的。空压机空压机空压机M1M2M3压力变送器变频器PLC电源储气与供气管道停止：按下停止按钮，PLC控制所有的接触器断开，变频器停止工作。切换：实现M1，M2，M3工频、变频相互切换。报警及故障自诊断：空压机内部一般有四个需要监测的量：冷却水压力监测、润滑油监测、机体温度监测、储气罐压力监测。4.2控制系统的工作原理启动前，将变频器的机组开关置于欲工作的机组，工作方式选择置于变频位置，将PLC的控制开关置于运行状态，按下启动按钮，机组运行。1#空压机变频启动，转速从零开始上升，若达到预设的频率上限值50Hz时，延时一段时间后风包出口处的压力仍不能达到预设的压力值0.83MPa，则由PLC通过控制中间继电器的通断将1#空压机切换到工频运行，同时将2#空气压缩机切换到变频状态，变频启动2#空压机。若2#空压机达到频率上限时，延时一段时间后仍不能满足要求，再自动将2#空压机切换到工频运行，变频启动3#空压机。当用风量减小，若3台空压机同时运行时，3#空压机变频运行而此时变频器的频率降到频率的下限值20Hz时，则自动停止1#空压机，若还不能满足要求，则自动停止2#空压机的运行。当空压机在运行的过程中出现机体温度过高，润滑油温度过高，风包温度过高，分包压力过高及润滑油压力过高，断水等故障时，系统会发出声光报警信号，提示有关的工作人员及时地排除故障。控制系统工作流程如图4-2所示。图4.2系统流程图该系统具有手动和自动两种运行方式：(1)手动运行方式选择此方式时，按启动按钮空压机或停止按钮，可根据需要而分别启停各空压机。这种方式仅供检修或控制系统出现故障时使用。(2)自动运行方式开始变频器启动频率上限是否达到频率下限是否达到监测参数是否正常是否有停机信号停机转化为工频运行并把变频器切换到下一台空压机当前空压机停机并把变频器复位报警延时YYNYYNN在自动运行方式下开始启动运行时，首先打开冷却水阀，关闭供气阀，1#空压机变频交流接触器吸合，电机与变频器连通（启动过程如图4-3）变频器输出频率从0Hz开始上升，此时压力变送器检测压力信号反馈PLC，由PLC经PID运算后控制变频器的频率输出；如压力不够，则频率上升至50Hz，延时一定时间后，将1#空压机切换为工频，2#空压机变频交流接触器吸合，变频启动2#空压机，频率逐渐上升，直至供气压力达到设定压力，依次类推增加空压机。变频调速系统将管网压力作为控制对象，装在储气管出气口的压力变送器将储气罐的压力转变为电信号送给PLC内部PID调节器，与压力给定值进行比较，并根据差值的大小按既定的PID控制模式进行运算，产生控制信号去控制变频器的输出电压和逆变频率。当压力小于设定值时，频率升为50HZ，延时30s后，若测量值仍小于设定值，则变频器切换为工频运行，同时变频器启动下一台空压机，依次启动各台空压机。当压力大于设定值时，通过PID调节降低频率，当频率降为20HZ，延时30s后，若测量值仍大于设定值，则变频器切换到下一正在运行的空压机进行调速，同时关闭当前机。依次关闭各台空压机。从而使实际压力始终维持在给定压力。正常情况下，空气压缩机在变频器调速控制方式下工作。变频器一旦出现故障，煤炭生产不允许空气压缩机停机，因此，系统设置了工频与变频切换功能，这样当变频器出现故障时，可由工频电源通过接触器直接供电，使空气压缩机照常工作。整个控制过程如下：用气需求↑——管路气压↓——压力设定值与反馈值的差值↑——PID输出↑——变频器输出频率↑——空压机电机转速↑——供气流量↑——管路气压趋于稳定特别注意：为防止电机频繁起制动和变速，在压力容差范围内，变频器的输出频率不变。图4.3启动过程开始上电初始化冷却水压力0.2Mp润油压力0.15Mp电气故障启动运行报警及故障处理NＮＹＮＹＹ图4.4空压机变频调速原理图空压机变频调速的要求：(1)空压机是大转动惯量负载，这种启动特点很容易引起变频器在启动时出现跳过流保护的情况，故采用具有高启动转矩的无速度矢量变频器，保证既能实现恒压供气的连续性，又可保证设备可靠稳定的运行；(2)空压机不允许长时间在低频下运行，空压机转速过低，一方面使空压机稳定性变差，另一方面也使缸体润滑度变差，会加快磨损。所以工作下限应不低于20Hz；(3）功率选用比空压机功率大一等级的变频器，以免空压机启动出现频繁跳闸的情况；上位机报警装置PLC变频器1#空压机2#空压机1#空压机检测变送装置检测变送装置检测变送装置(4)为了有效的滤除变频器输出电流中的高次谐波分量，减少因高次谐波引起的电磁干扰，选用输出交流电抗器，还可以减少电机运行的噪音，提高电机的稳定性；(5)系统应具备变频和工频两套控制回路，确保变频出现异常跳保护时，不影响生产。4.2.1空压机切换工作过程开始时，若1#空压机变频启动，转速从0开始随频率上升，如变频器频率达到50Hz而此时空气压力还在下限值，延时一段时间（避免由于干扰而引起的误动作）后，1#空压机切换为工频运行，同时变频器频率由50Hz下降至0Hz，2#号空压机变频起动，如气压仍不满足，则会启动3#空压机，切换过程同上；同样，若3台空压机（假设1#、2#、3#）都在运行，3#空压机变频运行降到0HZ，此时气压仍处于上限值，则延时一段时间后使1#空压机停止，变频器频率从0HZ迅速上升，若此时供气压力仍处于上限值，则延时一段时间后使2#空压机机停止。这样的切换过程，有效的减少空压机的频繁启停，同时在实际管网对供气压力波动做出反应之前，由于变频器迅速调节，使气压平稳过渡，从而有效的避免了井下风动工具供气不足的情况发生。切换过程流程图如图4-5所示。图4.5空压机切换流程图在自动状态下系统启动时，首先KM2吸合，1#空压机在变频器控制下起动，延时5s（延时是为了让压力稳定下来）PLC对变频器的输出频率进行检测。当检测到变频器下限频率信号则关闭1#空压机；反之当检测到变频器上限频率信号则PLC执行增加空压机动作：KM2断开、KM1吸合，1#空压机改为工频运行并延时1s（延时一是为了让开关充分熄弧，另一方面是为了让变频器减速为0，开始1#空压机变频运行添加工作空压机1#空压机变pinn频运行1#空压机停止运行减少工作空压机变频器输出频率变频器输出频率变频器输出频率上限上限延时5s延时5s延时5s上限延时5s延时5s下限下限正常KM4吸合变频启动2#空压机。为了保护空压机及变频器，1#空压机的KM1与KM2之间进行了电气互锁。当2#空压机投入变频运行后，延时5sPLC继续对变频器输出频率进行检测，当检测到变频器下限频率信号则关闭1#空压机，剩下2#空压机在变频状态下运行，延时5s如果PLC再次检测到变频器下限频率信号则把2#空压机也关闭；反之当检测到变频器上限频率信号则PLC再执行增泵动作：KM3断开、KM4吸合，2#空压机改为工频运行并延时1s，KM6吸合变频启动3#空压机。依此类推，当3#空压机投入变频运行后，延时5s，PLC继续对变频器输出频率进行检测以决定执行增加或减少空压机动作来满足恒压供气目的。另外为了方便故障检查维修。在设计中增加了故障指示和故障报警输出，变频器本身具有短路保护、过载保护等功能，只需把变频器的故障输出点、接触器、热继电器等辅助触点接到PLC即可。PLC通过程序扫描这些输入点，如果发生故障则作出相应的动作。如检测到一台空压机出现过载情况，则切断该空压机的接触器并投入备用空压机，同时输出故障信号，以方便检查及时维修。4.2.2通信方式(1)上位机与PLC的通信在工控领域中PLC通常作为下位机使用，工业计算机作为上位机，通过网络在线监视空压机的运行状况，查看压力、温度、运行时间、电机电压、电机电流、输出功率等实时数据，记录并存储历史数据，提供数据的查询和打印功能。当现场设备有动作或者出现故障时能够弹出提示消息并记录存储下来;在远程控制允许的情况下，值班人员还可以远程控制空压机。远程监控方便了调度，提高了管理自动化水平，是煤矿信息化发展的需要。其他元件包括手自动转换开关、紧急停止按钮、声光报警器等。在PLC和上位机之间的通讯中，PLC通过以太网模块CP343-1接入工业以太网，上位机通过网络实现远程监控功能。选择接口类型为工业Ethernet，通信速率为100Mbps，设置PLC和上位机的IP地址。在煤矿空压机组的监控系统中，用来控制空压机的PLC系统作为下位机，与调度室内的监控系统即上位机组成一个小型的工业以太网，进行PLC系统工作状态的反馈和对PLC系统发送控制信号。(2)PLC与变频器的通信本系统中PLC对变频器的控制是通过串行通讯的方式实现的，PLC通过RS-485通讯口方式与变频器通讯，控制变频器的运行，读取变频器自身的电压、电流、功率、频率、和过压、过流、过负荷等全部报警信息等参数。该过程最多分5个阶段。1、计算机发出通讯请求；2、变频器处理等待；3、变频器作出应答；4、计算机处理等待；5、计算机作出应答。根据不同的通讯要求完成相应的过程，如写变频器启停控制命令时完成1～3三个过程；监视变频器运行频率时完成1～5个过程。不论是写数据还是读数据，均有计算机发出请求，变频器只是被动接受请求并作出应答。4.2.3控制系统概述在工业控制中，PID(ProportionIntegralDifferential)控制是工业控制中最常用的方法。但是，它具有一定的局限性：当控制对象不同时，控制器的参数难以自动调整以适应外界环境的变化。为了使控制器具有较好的自适应性，实现控制器参数的自动调整，可以采用模糊控制方法。模糊控制已成为智能自动化控制研究中最为活跃而富有成果的领域。其中，模糊PID控制技术扮演了十分重要的角色，并且仍将成为未来研究与应用的重点技术之一。到目前为止，现代控制理论在许多控制应用中获得了大量成功的范例。然而在工业过程控制中，PID类型的控制技术仍然占有主导地位。虽然未来的控制技术应用领域会越来越宽广，被控对象可以是越来越复杂，相应的控制技术也会变得越来越精巧，但是以PID为原理的各种控制器将是过程控制中不可或缺的基本控制单元。利用模糊控制理论的特性，结合传统的PID控制理论，构造模糊PID控制器，可实现控制器参数的自动调整[3]。PID控制器系统原理框图如图4-6所示。将偏差的比例（KP）、积分(KI)和微分(KD)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，KP、KI、KD3个参数的选取直接影响了控制效果。图4.6PID控制器系统原理图在经典PID控制中，给定值与测量值进行比较，得出偏差e(t)，并依据偏差情况，给出控制作用u(t)。对连续时间类型，PID控制方程的标准形式为：])()()([)(dttdeTTdtteteKtuDIp（4-1）式(4-1)中，u(t)为PID控制器的输出，与执行器的位置相对应；t为采样时间；KP为控制器的比例增益；e(t)为PID控制器的偏差输入，即给定值与测量值之差；TI为控制器的积分时间常数；TD为控制器的微分时间常数。数字式PID控制器的表示函数为:)()()()(neKneKneKnUcDIp（4-2）公式(4-2)中：e(n)为系统偏差；ec(n)为系统偏差变化率；KP为比例系数；KI为积分作用系数；KD为微分作用系数。KP值影响系统