煤礦空氣壓縮機伺服控制系統設計應用

李廣瀚

(晉能控股煤業集團晉華宮礦運銷站，山西 大同 037016)

0 引 言

空氣壓縮機是井下大量風動設備如風鉆、注漿機與絞車等提供動力源的關鍵設備[1]。煤礦生產過程對高壓氣體的需求存在變化，而空氣壓縮機的控制技術相對落后，不能及時跟隨負載特性發生改變，存在效率低、可靠性差、自動化程度低的問題[2-3]。煤礦空壓機通常需要24h不間斷運行，期間存在很多空載與輕載運行的狀態，造成很大的資源浪費[4]。目前，隨著永磁電機技術的逐漸成熟，將永磁同步電機替代空氣壓縮機中的交流異步電機成為新的發展趨勢[5]。相較于交流異步電機，永磁同步電機的能效等級高，在低頻運行狀態下有著良好的節電節能效果，但控制系統更為復雜，控制要求較高[6]。因此，設計一種可應用于空氣壓縮機的伺服控制系統對煤礦節能降耗具有重要意義。

筆者提出空氣壓縮機控制系統方案，通過分析空壓機控制需求，確定了系統的總體結構、驅動方式與控制策略，并對控制器的硬件進行了選型，系統滿足空壓機控制需求，解決了設備能耗損失較大的問題，對煤礦節能開采具有重要意義。

1 空氣壓縮機控制系統設計方案

基于煤礦安全生產的需求，設計控制系統方案充分考慮以下要求：采集各個空壓機的工作參數，清晰反應設備運行狀態，發生故障時，系統應當及時報警并停機進行維護。同時，控制系統應記錄各空壓機的歷史運行狀態，方便工作人員及時分析安全事故，避免進一步損失?？刂葡到y應當實現各空壓機的精確化、智能化控制，減少人工干預，提高空壓機的運行能效。

煤礦空氣壓縮機伺服控制系統結構如圖1所示，由上位機、控制器、通信裝置、伺服驅動器與就地控制器等組成，實現空壓機組的參數采集、伺服控制與遠程監測功能。上位機安裝于煤礦空壓機監控室，通過工業以太網與控制器建立遠程通訊，實現空壓機參數的遠程監控功能，技術人員可通過上位機查看設備運行的歷史數據。系統采用控制器與伺服驅動器實現空壓機組的伺服控制功能，針對各空壓機設有就地控制器，用于手動控制，提高系統的冗余性。傳感器單元包括壓力傳感器、溫度傳感器、編碼器等，負責采集各空壓機運行數據，控制器對數據進行分析處理，通過控制策略將壓力數據轉換為電機運行的速度控制參數，并生成控制指令傳輸到伺服驅動器，實現空壓機的自適應控制。

圖1 煤礦空氣壓縮機伺服控制系統結構框圖

2 伺服驅動器工作原理

伺服驅動器為專用于伺服電機的驅動器，屬于伺服控制系統中的一部分，包括整流逆變等調節電路，作用類似于交流異步電機的變頻驅動裝置，相較于變頻器的控制精度更高、節能效果更好。伺服驅動器負責接收控制器的控制指令，并向電機發出命令，通過數據反饋實現閉環控制模式。伺服驅動器的工作原理如圖2所示，包括位置、速度與電流三個環路調節器，形成三閉環控制，當指令發出后，三個調節器會與電機運行的各位置、速度與電流參數進行對比，將調制好的脈沖發出給電機，實現伺服控制。

圖2 伺服驅動器工作原理

伺服驅動器控制模式包括位置控制、速度控制與轉矩控制。位置控制通常應用于精密數控機床，由脈沖個數實現準確定位，定位精度由編碼器決定。速度控制由輸入量與脈沖頻率控制，可用于對速度要求較高的場合。轉矩控制由外部模擬量訪問電機轉矩，可實時改變電機轉矩。此系統應用于空壓機組，伺服驅動器采用速度控制模式，通過改變電機運行速度控制輸出風量，進而改變輸出風壓。

3 控制策略研究

空壓機伺服控制系統結構復雜，具有嚴重的滯后性與非線性，傳統PID控制方法無法滿足系統的控制需求。文中根據空氣壓縮機的運行狀態與固有規則，采用模糊PID控制策略，實現空壓機的智能伺服控制。模糊PID控制策略結合兩者的特點，具有魯棒性好、控制精度高的優點，控制策略原理圖如圖3所示。

圖3 空壓機控制策略原理圖

系統通過壓力傳感器采集監測點風壓值，與系統風壓設定值做差，得到偏差e，通過微分環節得到偏差率ec，通過模糊規則自適應調節PID的整定參數ΔKP、ΔKI與ΔKD。根據參數設定經驗，隨著e與ec的變化，模糊規則應遵循以下幾點：①控制系統尋優初始階段，偏差e較大，應當選取較小的ΔKD值，防止引起微分環節溢出，選取較大的ΔKP值，增大曲線斜率，提高系統響應速度，選取較小的ΔKI值，抑制積分環節作用，防止系統超調過高;②系統尋優到達調整階段時，偏差e與偏差率ec的值較小，應當選取較小的ΔKP值，放緩響應速度，增大ΔKD值，獲取較大的系統阻尼，減小超調量;③系統尋優到達穩定階段時，偏差e與偏差率ec的值很小，應當減小ΔKP值，增大ΔKI值，以消除靜態誤差，避免輸出值發生振蕩，選取適應的ΔKD值，保證系統穩定性。

4 伺服控制器硬件選型

4.1 控制器選型

伺服控制器是整個伺服系統的核心環節，負責處理與分析各采集數據，控制各空壓機組的輸出風壓，實現與上位機的信息傳輸功能，是保證系統穩定運行的前提。根據空壓機伺服控制需求，此系統選用TI公司的DSP芯片處理器，具體型號為TMS320F28335。該芯片是專門用于電機控制的處理器芯片，具有優良的處理速度與控制精度，設有豐富的外設，減輕開發人員工作難度，可在芯片上開發復雜算法，滿足伺服系統的控制要求。

4.2 傳感器選型

伺服控制系統中使用到的傳感器類型包括：溫度傳感器、壓力傳感器與編碼器等。系統采用BWZD隔爆溫度傳感器采集電機軸承溫度參數，將測溫探頭安裝于電機軸承附近的螺孔內，可測量范圍0～200 ℃。

壓力傳感器用于采集空壓機母管壓力參數，作為控制系統的反饋參數，壓力參數的準確性，將直接影響系統的控制精度。系統選用BYD1.6型壓力傳感器，輸入電壓DC24V，可測量壓力2.5 MPa，滿足空壓機系統要求[7-8]。

編碼器為伺服控制系統的核心反饋環節，滿足系統的速度控制需求。此系統采用光電式編碼器，通過測量脈沖頻率實現電機轉速的測量。光電編碼器避免了摩擦損耗，具有測量速度快，測量精度高，抗干擾能力強的優點。光電編碼器與電機軸同軸安裝，通過交叉連接器連接到電機，固定于外部端面，并覆蓋有防護罩。

5 應用效果

控制系統應用以來，空壓機監控班組每班節省工種3名，按300元/工，1天2班計算，一天節省1 800元，全礦每年約節資200萬元。

根據空壓機實際工況，設備額定功率為355 kW，按每工作日16 h運行時間，一年300工作日。系統應用前，設備耗電量估算為170萬度電，按照市場商用電價每度0.8元計算，全年電費13.6萬。系統應用后，2020年設備實際用電量130萬度，理論節電率n=130/170≈76%，節約電費約為32萬元，具有較好的節能性。綜上，系統應用后一年帶來的總經濟效益為232萬元左右。

6 結 語

根據煤礦空氣壓縮機功能需求，設計了一種基于DSP處理器的伺服控制系統，采用上位機、DSP控制器與伺服驅動器結構，實現空壓機的遠程自動控制。系統采用模糊PID控制策略，通過設計模糊規則，結合了各控制方式的特點，具有魯棒性好，控制精度高的優點，滿足空壓機控制功能，降低了煤礦能源消耗。