Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．３，２０１ １ 基于Ｐ ＬＣ与内置Ｐ Ｉ Ｄ变频器的恒压供气系统设计 吕传红 （辽宁冶金职业技术学院，辽宁本溪１ １７０００） 摘要：介绍了恒压供气控制系统逻辑组成及工作原理，对ＰＩＤ闭环调节控制原理进行了分析研究，并结合多年的工作 经验，对基于ＰＬＣ与内置ＰＩＤ变频器的恒压供气系统在工程实际应用中的效益，作了详细的分析总结。 关键词：ＰＬＣ；内置ＰＩＤ变频器；恒压供气系统 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７２—５４５Ｘ（２０１１）０３—００８８—０３ 空气压缩机（以下简称空压机）是供气系统中把 用气负荷量波动，实时调节电机频率对供气系统气 空气加压压缩后，送入储气罐，以保持供气系统压力 处于一定范围内的主要动力输出设备。传统的空压 压进行实时补偿调节，以维持系统气压稳定。 与传统开关闭／合触点控制方式相比，用ＰＬＣ 机，普遍采用简单的进气阀开／关控制方式，即当压 与变频器相结合组成的恒压供气控制系统，可以保 力传感器检测到供气系统中气压不足时，就会启动 证整个空压机系统始终保持输入与输出间的动态平 不仅可以通过ＰＬＣ与内置ＰＩＤ的自动运算分析， 空压机进行补气工作；当检测到气压达到预设极限 衡，值时，就会通过控制开关辅助接点，停止空压机进行 获得对应的命令控制变频器完成空压机电机的软启 补气工作。空压机在整个补气过程中，始终处于恒转 动和软停车，有效降低启动电流对系统的冲击和停 矩负载运行控制模式。随着供气系统中气压逐步上 车对系统的损伤；同时还可以提高空压机轻载运行 高，空压机的负载量也越来越小，空压机会从下限刚 时的工作效率和供气系统气压的稳定，有效提高供 启动补气的满载运行工况，逐步转向快要达到上限 气品质和改善空压机的综合运行环境，达到节能降 值的轻载运行工况，这样在供气系统中用气量不断 耗的目的。 波动下，空气机负荷量也随之变化频繁。这样不仅造 成供气压力波动较大，对实际高效稳定生产带来巨 ２ 恒压供气控制系统逻辑组成及工作原理 大不利；同时在空压机控制系统设计时，其配套电动 机的容量富裕量一般偏大，在长时间的连续运行过 ２．１ 控制系统逻辑组成 程中，会造成大量的电能资源浪费，使得整个系统运 为了实现对供气系统的恒压变频调速控制，首 行成本增高，大大减少了企业的综合经济效益。 １ 变频调速技术简述 先需要利用安装在供气管道上的压力传感器，实时 采集系统中压力值，然后通过相应的信号控制电缆 传输到系统中的内置ＰＩＤ专家调节器中，经过ＰＩＤ 内部的比例、微分、积分共３个环节的信号处理后， 变频调速技术，是机械设备节能工程建设和改 传输给ＰＬＣ和变频器。ＰＬＣ在获得经ＰＩＤ处理后的 造中常用的先进控制技术。利用变频器，可以根据内 压力信号后，经内部的程序判断，形成对应的控制命 部程序设计需求，将控制系统中频率固定的交流电 令，直接控制变频器和启动柜，实现空压机电机的软 变频调速、以及软停车等操作。也就是说构筑 源（三相或单相）变换成根据系统负荷实时波动特性 启动、需求的频率连续可调的三相交流电源ｔ”。在实际运行 恒压供气系统的主要设备，包括ＰＬＣ可编程控制器、 Ｄ专家调节器、大功率变频器、安装在供气管道上 过程中可知，空压机的功率与其运转转速成正比，而 ＰＩ的压力传感器、以及各部分控制开关设备等，其具体 机的电源频率，来实时调节空压机的转速，实现根据 的逻辑连接框图如图１所示。 通过变频调速控制后，可以利用改变接人空压机电 收稿日期：２０１０—１２－０３ 作者简介：吕传红（１９７１一），女，辽宁庄河人，讲师，研究生学历，主要研究方向：自动化技术。 ８８ 《装备制造技术｝２０１１年第３期 １－启动 １・同步 ｌ－电磁阀 电磁阀 定，且可以降低变频器调节过程中的能量损耗，即能 ｆｌ量 整 ＰＬＣ ２．启动 ２・同步 敞 满足供气系统生产需要，又能节约电能资源，降低单 位产品生产能耗１３１。 要 ｝ ｌ Ｌ 差ｆ直 ３－启动柜 ４｜启动柜 ｌ・异疹 异步 ３‘异步 管网压力传感器 ３ 恒压供气系统ＰＩＤ闭环控制原理 供气系统在正常运行时，由于随企业生产时问 图１变频恒压供气系统逻辑连接控制框图 和生产量的不同，其用气负荷也在实时波动。采用先 从图１可知，ＰＬＣ可编程控制器是整个恒压供 进的变频调速控制技术，结合ＰＩＤ闭环自动控制系 气控制系统逻辑控制命令生成的主要设备，也是整 统，可以在维持供气系统的压力恒定的基础上，达到 个控制系统的核心部件，此处选用西门子公司生产 的Ｓ７～４００系列的ＰＬＣｔ２￣，其输入输出模块均为继电 器控制型节点，非常适合恒压供气系统信号采集和 命令输出控制需要。ＰＩＤ专家调节器是整个控制系统 信号处理的核心部件，其可以将传感器采集到的模 拟信号通过内部模数转换电路，转换成对应的数字 信号，然后经Ｐ—Ｉ—Ｄ电路优化后，形成满足ＰＬＣ及变 频器程序控制需求的实时信号数据。变频器是空压 机电动机实现输入电源频率无级调节的速度控制部 件，是整个恒压供气控制系统的执行传动机构。变频 器内部的ＩＧＢＴ晶闸管控制模块电路，可以大大过滤 抑制空压机电动机在运行中的高频噪声，不仅可以 减少空气机系统对其配电网的污染，同时还能降低 空压机电动机运行时的温升效应。 ２．２ 恒压供气控制系统的工作原理 为了提高系统响应实时性、可靠性和精确性，本 系统采用闭环控制模式。系统在运行调试过程中，生 产企业会根据供气系统的历史运行数据资料，把生 产中所需的恒定管网压力值通过人机互通可视化界 面，对ＰＩＤ专家调节器进行设定。系统启动后，ＰＩＤ就 会通过传感器动态采集供气系统中管网实时压力信 号作为反馈。图１中，系统中把３台空压机分成２ 组，在ＰＬＣ控制器控制下，首先由变频器控制操作其 中一台空压机的转速，根据系统用气量的变换动态， 调节空压机电动机的输入电源频率，实现实时降低 或提高当前机组的供气量，以保证整个供气系统在 负荷小范围波动情况内稳压；其余２台机组在ＰＬＣ 控制下，按照供气系统预设压力需求运行，当供气系 统中气压负荷波动较大时，变频器就会通过内部程 序，直接控制３台机组进行实时调节，以维持整 个系统气压的平衡。通过采用分组气压调节模式，一 方面可以在气压小范围波动范围内，避免另外两台 机组频繁调节，保证其运行稳定性；另一方面可以通 过ＰＬＣ与变频器的动态调节保证整个管网压力恒 节能降耗的目的。恒压供气系统ＰＩＤ闭环控制原理 如图２所示： 胬喇．ｌ Ｌ堑耀 蛉 — 图２恒压供气系统ＰＩＤ控制原理 恒压供气系统采用ＰＩＤ闭环控制，首先需要在 变频器内置ＰＩＤ专家控制器上设定期望的给定气压 值，然后通过来自供气管道上的远程传感器（压力） 的反馈信号，实时与内部期望给定值进行比较计算， 获得相应的偏差信号。通过Ｐ＿Ｉ—Ｄ电路对偏差信号 进行优化处理，以获得实时、准确的控制数据信号， 直接传输给ＰＬＣ形成相应的调节命令控制变频器， 实现对空压机电动机电源频率的无级调节。 供气系统中空压机数量一般较多，若在每台空 压机控制系统均配置变频器，不仅会增加整个控制 系统的投资成本，同时如果每台空压机在负荷波动 时（如前面所述的气压小范围波动情况）都进行变频 调节，就会增加ＰＬＣ的工作压力，使其控制变得相当 复杂，而且所有变频器在气压波动时均进行调节，会 消耗大量的调节能量，不利于节能。因此，在系统设 计时，按照前面所述的将空压机组分为２组，选择一 台负荷容量较大的空压机组作为主要的调节机组， 由ＰＬＣ和变频器优先控制进行交流调速ｔ４１。变频器的 模拟输出采样电压范围值设定为０～１０ Ｖ（即对应空 压机电动机运行频率为０～５０ Ｈｚ），并将实时采集到 的电压信号送至ＰＬＣ控制器中进行处理。 为了保证整个系统高效稳定的运行，在ＰＬＣ中 分别设立了一个工作电压上限值Ｖｍａｘ和一个工作 电压下限值Ｖｍｉｎ，也就是相当于在变频器控制系统 ８９ 中外加一个最大运行调节频率ｆｍａｘ和一个最小运 出问的平衡，大大提高丁供气系统的综合控制能力。 行调节频率ｆｒａｉｎ。当变频器在涮节过程中，如果其实 通过供气系统控制精度的提高，有效地提高了产品 际运行调节频率ｆ≥厂ｍａｘ时，表明主空压机组输出 生产的稳定性和经济性。 功率调节已到达极限，且不能满足供气系统恒压目 ４．３ 全面改善了空压机控制系统的运行性能 的，此时就会通过ＰＬＣ和软启动装置启动另外一组 恒压供气系统通过变频器和软启动控制柜，从０ 的空压机，进行变频控制，以维持整个供气系统气压 Ｈｚ启动压缩机，利用相应的软启动加速策略，可以有 恒定。 效减低电动机启动电流，减小启动时对压缩机各控 制电器部件和机械部件的冲击损失，提高了空压机 ４恒压变频调速控制系统使用效益分析 控制系统的整体运行性能，大大延长了空气机系统 的综合使用寿命。 ４。１ 有效提高供气系统控制自动化水平 基于ＰＬＣ与内置ＰＩＤ的恒压供气系统，是集 ５ 结束语 ＰＬＣ、变频器、ＰＩＤ专家控制器以及检测技术为一体 的综合自动化系统，其可以利用系统内部各控制模 将ＰＬＣ、变频器、内置ＰＩＤ专家控制器等先进控 块，实现对供气系统的智能调节控制，有效提高了供 制设备，应用于空压机控制系统中，构筑综合控制性 气系统控制的综合自动化水平。空气压缩机整体运 能优越的恒压供气系统，可以有效解决了传统空压 行成本，通常包括３大类：设备投资成本、运行维护 机控制系统运行性能水平低的问题，实现了供 成本、以及日常能源消耗成本。 气系统的节能降耗稳定经济运行。基于ＰＬＣ与内置 其中，能源消耗成本大约占整个供气系统运行 ＰＩＤ变频器的变频调速控制技术在实际工程应用中 成本的８０％以上，而系统经变频调速技术改造后，其 取得效益是巨大的，其在供气系统节能改造中具有 运行能源节约成本基本能达到２０％左右，再加上控 极为广阔的应用前景。 制系统采用变频软启动和软停车后，其对设备和配 电网的冲击将会大大减小，从而使系统日常检修维 参考文献： 护量将会随之大大减少，即单位产品生产能耗将大 【１】姚锡禄．变频器控制技术与应用【Ｍ】．福州：福建科学技术出 大降低［５１。据一些已经进行变频调速改造的成功实例 版社，２００５． 分析数据看，供气系统在进行技术改造后，运行两年 【２］廖常初．ｓ７—３００／４００ ＰＬＣ应用技术【Ｍ】．北京：机械工业出版 左右，其日常运行节约的费用，就可以收回改造所需 社，２００８． 的综合投资成本。 【３】吴忠智，黄立培，吴加林．调速用变频器及配套设备选用指 南ＩＭ】．北京：机械工业出版社，２０００． ４．２ 提高了系统实时响应性和控制精度 ［４］冉翔．变频调速技术在恒压供气系统中的应用【Ｊ】．电气传 采用ＰＩＤ专家控制器，可以获得实时、精确的系 动自动化，２００９，３１（０６）：３６—３８． 统压力偏差信号，便于ＰＬＣ制定实时可靠的调节方 【５］汪晓平．ＰＬＣ可编程序系统开发实例导航［Ｍ】．北京：人民邮 案和命令，使得空压机控制系统始终保持输入与输 电出版社，２００４． Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ａｉｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＬＣ ａｎｄ Ｂｕｉｌｔ－ｉｎ ＰＩＤ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ Ｌ ｔｉ Ｃｈｕａｎ—ｈｏｎｇ （Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｂｅｎｘｉ Ｌｉａｏｎｉｎｇ １ １ ７０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｉｒ ｓｕｐｐｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓ—－ ｔｅｎ．Ｔｈｅ ＰＩＤ ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｒｉｃｈ ｗｏｒｋ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ，ｇａｖｅ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｂｅｎｅｆｉｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｐｐｌｉｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＰＬＣ；ｂｕｉｌｔ－ｉｎ ＰＩＤ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ｃｏｎｓｔｎａｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｉｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍ
