空壓系統節能自動控制方法研究

程曉軍

北京京城地鐵有限公司 北京 101312

1 引言

為減少能源消耗，提高能源使用效率，保護資源，減少對環境的污染，減少企業人工成本。本設計以動力中心空壓系統為設計基礎，通過使用PID算法、前饋控制和基于生產與非生產時段的時間匹配控制的自動控制方法，在保證生產設備正常使用合格達標的壓縮空氣的前提下，安全合理的使用空氣壓縮機及相關的配套設施，減少現場工作人員的工作量，為動力車間節約能源。

2 系統設計

壓縮空氣供應系統，簡稱“空壓系統”，承擔全廠工藝生產所需壓縮空氣的24小時不間斷供給和輸送的任務，制絲車間和卷包車間都對壓縮空氣的供給有著明確的壓力要求，如果壓力不達標將影響車間設備的正常生產，嚴重時將造成整線的停產事故，從而帶來數額巨大的經濟損失。

因此對空壓系統主工藝設備進行自動控制調節，以適應用戶峰值的壓縮空氣供應要求，保證用戶壓縮空氣供給壓力，是空壓系統控制的基本要求。在此條件下，如何合理設置空壓機運行壓力、減少空氣壓縮機的節流放散、減少空壓系統運行能耗，一直是困擾空壓系統自動化控制的難題。

2.1 系統現狀

2.1.1 系統設備構成 系統現有設備情況如下：

1)水冷式無油螺桿空氣變頻壓縮機2臺，型號ZR315 VSD，最大產氣量50m3/Min；

2)水冷式無油螺桿空氣壓縮機1臺，型號ZR350，額定產氣量50m3/Min；

3)水冷式無油螺桿空氣壓縮機1臺，型號ZR132，額定產氣量20m3/Min；

4)冷卻水泵3臺；

5)冷卻塔風機2臺。

2.1.2 系統控制示意圖

圖1 系統控制示意圖

2.1.3 設計依據

(1)前饋控制。隨著工業的不斷發展，對生產過程的自動控制提出了更高的要求，前饋控制隨之產生，他是一種特殊的控制規律，他是對即將出現的偏差有所覺察并及時預先提出某些措施時，進行有效的控制,因此前饋控制具有重要的意義。

前饋控制采用的普遍方式，是利用所能得到的最新信息，進行認真、反復的預測，把計劃所要達到的目標同預測相比較，并采取措施修改計劃，以使預測與計劃目標相吻合。到目前為止運用的比較先進的前饋控制技術之一是計劃評審法，或稱網絡分析法。它可以預先知道哪些工序的延時會影響到整個工期，在何時會出現何種資源需求高峰，從而采取有效的預防措施與行之有效的管理辦法。

(2) PID控制。在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。

PID控制器由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成。其輸入e (t)與輸出u (t)的關系為

因此它的傳遞函數為：G(s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(Ti*s)+Td*s]

其中kp為比例系數；Ti為積分時間常數；Td為微分時間常數

(3)基于前饋控制、時間匹配的新的控制方法。圖2所示的閉環控制圖是根據廠內設備現有狀況，為了保證供氣壓力的平穩而設計的控制圖。采用傳統PID控制和前饋控制相結合的控制方法，將分氣缸壓力作為主調節變量，輔以各車間的消耗流量變化之和作為輔助調節變量(前饋調節變量)。

圖2 空壓系統閉環控制圖

除了原有的自動控制空壓機的啟動和停止，根據空壓機的運行時間記錄完成空壓機定時切換功能完成運行等，避免設備過度使用增加維修費用；當設備出現故障后將自動切換備用機組運行，做到無擾動切換等功能。

還利用Modbus-RTU現場總線通訊，根據生產的變化規律時時自動修正工頻空壓機的加卸載壓力設定值和變頻空壓機的變頻調節設定壓力值。避免了人為到現場修改參數，同時壓力自動修正的過程中按照程序中自動排列的空壓機運行序列遵循階梯壓力設定的方案，保證了系統壓力的平穩過渡。

利用以太網通訊從廠內的能源管理系統獲得各臺空壓機的反饋耗電量，以及通過PLC采集到空壓機出口流量儀表記錄的產氣流量，核算出各臺空壓機的電氣比，成為空壓機效率依據，根據核算出的效率完成自動追蹤功能，自動修正空壓機的啟動順序，達到效率高的設備優先啟動，做到先啟后停的控制方案。

根據分析的全廠不同時間的用氣要求，特別為空壓站的自動控制程序設定了工作模式和假日模式。當系統運行在工作模式時，程序將自動根據負載變化情況完成設定參數的自動修改，以適應生產時發生的流量變化。當車間流量需求增大；同時分氣缸的反饋壓力下降速率超過設定值時，系統將自動優先提升當前運行的變頻空壓機的調節壓力設定參數，反之亦然。

當系統運行在假日模式時，程序將根據需求自動開啟空壓站內產氣量最小的空壓機提供壓縮空氣的供給，滿足車間在非工作日的安排，一定程度上節約了系統的整體耗能。

3 實踐運用

本設計控制程序在現場實施后。如圖3所示經過傳統PID算法和前饋算法相結合的控制方案后，系統運行中壓力控制的更為平穩，變化幅度更小。同時結合圖3的日供氣規律，夜間適當降低控制系統壓力，自適應了生產時間的規律性變化，一定程度上降低了能耗。

圖3 空壓系統控制算法改變前后供氣壓力比變化圖

圖4所示經過傳統PID算法和前饋算法相結合的控制方案后，系統運行中整體電氣比下降明顯，通過合理的控制各臺空壓機的控制壓力，通過反饋回來的壓力數據，動態調整各空壓機的控制壓力，使得整體控制更動態化；合理分配和控制空壓機開啟的數量，開啟空壓機的產氣量，使得整體節能效果顯著。同時車間現場的人員配比也可隨之減少，節能又節省人員。

圖4 空壓系統控制算法改變前后電氣比變化圖

4 結論

通過使用此次設計的PID算法、前饋控制和基于生產與非生產時段的時間匹配控制的自動控制方法，在保證生產設備正常使用合格達標的壓縮空氣的前提下，安全合理的使用了空氣壓縮機及相關的配套設施，減少了現場工作人員的工作量，更為動力車間有效的節約了能源。