基于PID控制的空压机无人值守系统设计

陈士权

摘要：为了适应现代矿山建设发展，提高井下供风系统的管理和控制水平，增强矿山的科技水平，本文设计了一种基于PID控制的空压机无人值守系统。本系统以PLC控制系统为核心，监控空压机及其附属设备，并结合PID算法最终实现空压机的无人值守联动控制。

关键词：空压机;PID控制;无人值守

空压机作为矿井提供动力用风的重要设备，其工作的稳定性直接影响着矿井的安全生产[1]。目前多数压风系统主要操作方式采用就地分散式手工操作，必须全天24小时派专人值守，值守人员根据井下用风量的需求采用手动方式进行启停空压机操作，并定期巡检，记录运行情况，空压机组无法自动联动运行，因此造成矿井空压机运行成本过高，耗电量较大且利用效率低下[2]。

通过自动化控制能直观在地面主控室对井下个采区和作业点的供风情况进行实时显示和控制，便于地面对井下供风状况进行及时、准确的调度。提高井下供风系统的管理和控制水平，增强矿山的科技水平，符合现代矿山建设的目的。鉴于此，本文设计了一种基于PID控制的空压机无人值守系统。

1 PID控制原理

PID控制器作为一种线性控制器，其依据给定值点击并拖拽以移动与实际输出值点击并拖拽以移动构成偏差点击并拖拽以移动，这里，点击并拖拽以移动。将偏差的比例、积分和微分通过线性组合的方式组成控制量，对受控对象进行控制，具体如式（1）所示：

点击并拖拽以移动    （1）

式（2）为传递函数：

点击并拖拽以移动            （2）

这里，点击并拖拽以移动代表比例系数，点击并拖拽以移动代表积分时间常数，点击并拖拽以移动代表微分时间常数;点击并拖拽以移动代表积分系数;点击并拖拽以移动代表微分系数。

下面对PID控制器各环节作详细说明 [3]：

比例环节：该环节线性反映控制系统的偏差信号点击并拖拽以移动，若产生偏差，则控制器随即发出控制信号以调节误差。当偏差为零时，控制信号也随之消失。故比例控制是对偏差进行控制，即有差调节。积分环节：该环节能对可以记忆误差，目的是消除静差以提高系统无差度，积分作用的强弱与积分时间常数呈负相关，点击并拖拽以移动越大，积分作用越弱，点击并拖拽以移动减小时则积分作用增强。微分环节：该环节反映了偏差信号的变化情况，且当偏差信号过大时，为了加快系统的动作速度，减小调节时间，在系统中引入早期修正信号。从时间上来讲，比例环节是对系统当前误差进行调节，积分环节是系统误差的记忆，而微分環节反映出系统误差的变化情况。

2系统方案特点

系统方案特点包括空压机、循环水泵、冷却电机实现远程启、停，电动阀门控制并实现联锁控制;空压机各运行参数、故障、报警信息读取到上位机，并在上位机画面显示;压缩机排风管路的压力、流量及CO浓度检测;冷却水循环管路流量、压力检测;冷却水池液位检测、储气罐温度、辅助设备运行状态等;通过以太网通讯方式将空压机房数据上传调度中心进行集中监测和控制;系统实时在线监测空压机的压力（包括压风机排气压力、风包压力、冷却水进口压力）、温度（包括压风机排气温度、风包温度、冷却水出口温度）、振动以及电气参数（包括电机电流、电压、功率、电量等）、水位（包括冷却水池水位和循环水池水位），控制空压机启停、冷却水泵启停、冷却风机启停、冷却阀门开关。

3系统方案功能

能够及时处理故障，节约能耗，同时减少维护人员的维护强度，减少故障处理影响时间，提高后勤部门维护的时效性，保障矿山正常生产，提高工作效率，降低劳动强度。减少压风电耗，避免不必要的浪费。

3.1联动控制

实现多台压风机及相关冷却阀门的自动联动控制，按程序自动执行启停、加载和卸载。当进入无人值守模式时，系统则根据实际压力对空压机进行自动启停操作，从而完成空压机的自动加载、卸载控制过程，最终实现空压机、冷却水泵的自动轮换，保持循环水池和冷却水池的水位平衡以及风包定期自动排污。

3.2设备的循环运行，延长使用寿命

空压机和冷却水泵长期工作可能引起设备疲劳，但若长期不使用则可能导致设备锈蚀，故设备一定要循环运行，使其均匀磨损。本文设计的系统对空压机和冷却水泵的工作时长进行监控，同时自动控制二者的循环运行，尽可能地延长设备的使用寿命。

3.3保护及故障报警

实现润滑油排气系统定子温度、电机定子温度、冷却水定子温度超温自动报警，冷却水定子压力不够、润滑油定子压力不够、冷却水温度断水自动报警，过载温度自动停机、电源逆相、缺相保护、超过最大工作温度压力安全阀停止动作、空气污染物过滤器堵塞报警、油过滤器堵塞报警、油细分离器堵塞报警等，系统自动根据出现堵塞报警的情况对设备和主机各部位都作出了相应的故障报警处理，监控设备和主机同时自动发出了相应的声音文字及图像和语音的报警，系统自动实时显示、记录或自动打印故障的性质、故障的地点及其发生原因和故障的持续时间。

4系统方案架构

系统以PLC控制系统为核心结合PID算法，监控空压机和附属设备，来实现空压机无人值守联动控制。本系统有三层结构分别是现场设备层、监控信息层和PLC控制层。其核心主要是中间的PLC控制层，它用于控制和通讯;最底层为现场设备层;最上层是具备HMI功能的监控设备，对外提供开放的数据发布。

监控计算机压风机监控系统采用人机交互界面与客户端和交换机组成了监控信息层，可实现报表查询，在线监控数据管理及视频监控画面显示等功能。由上位工控机和PLC控制系统、硬盘录像机等设备所组成PLC控制层作为中间层，通过光纤进行通讯连接，实现对整个系统设备的集中控制。通过modbus通讯实现对现场空压机控制器的数据传输和控制。现场设备层实现PLC系统的I/O点信息及各种智能仪表等的采集和上传，同时传送集中控制信号到现场设备，完成对现场参控设备的操作、控制、状态监视、信息传输及控制指令的传达执行。以下为系统方案架构图，如图1所示。

5总结

本文以PLC控制系统为核心，监控空压机和附属设备，并结合PID算法设计了一种空压机无人值守联动控制系统。本系统能够及时处理故障，节约能耗，同时减少维护人员的维护强度，减少故障处理影响时间，提高后勤部门维护的时效性，保障矿山正常生产，提高工作效率，降低劳动强度。减少压风电耗，避免不必要的浪费。

参考文献

白冠辰. 节能空气压缩机监控系统的研究与实现[D].天津大学，2018.

赵成文.基于“三线法”防喘控制的空压机保护系统的开发[J].机械工程与自动化，2016（02）：213-214.

黄拓. 空气压缩机PID节能控制[D].长安大学，2015.

（1983-），男，河北唐山人，硕士研究生，中级工程师，主要研究方向：电气自动化控制。

2018YFC0604405）