CN102230466B - 一种空压机负荷优化控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种空压机负荷优化控制系统及方法涉及冶金、化工行业空压机的智能控制领域，该系统包括监测主机、信号采集单元、导叶控制单元和电机控制单元，所述信号采集单元、导叶控制单元和电机控制单元分别与监测主机相连；所述信号采集单元监测空压机运行时的电机励磁电流、管网出入口的流量与压力；所述监测主机基于空压机装置特性曲线，结合现场数据，计算电机当前转速、输出功率，修正空压机的运行参数，输出优化控制命令给导叶控制单元和电机控制单元，调整入口导叶开度与电机励磁电流，实现空压机变负荷节能运行。本发明能有效消除不确定干扰和非线性因素对空压机恒压调速系统的不良影响，提高系统的控制精度和动态品质。

Description

一种空压机负荷优化控制系统及方法

技术领域

本发明涉及冶金、化工行业空气压缩机的智能控制技术领域，尤其涉及一种空压机负荷优化控制系统及方法。

背景技术

深冷空气分离技术是在高压状态下，将作为原料的空气液化，依据气、液浓度以及气体沸点的差异，分离出氧气、氮气等其它气体的精馏生产工艺。深冷空气分离系统由空气净化及压缩单元、冷凝及精馏单元、产品输送和贮存单元组成。其生产过程的控制要点是保证空气压缩机恒压输出，使空气压缩物流变化与生产负荷保持一致，不仅有利于上、下精馏塔中气氮冷凝、液氮分离、富氧液空提纯，而且有效地达到节约能源的目的。因此，空压机恒压控制是高质量空气分离技术的关键。

空压机是一种利用电动机的电能将气体在压缩腔内进行压缩并使压缩后的气体具有一定压力的设备，在冶金企业中有着广泛的应用。空压机的电动机容量一般都较大，而且大多数是常年连续运行的，空压机的负载大多数又是变化的，故节电潜力很大。空压机的能源消耗大小与空压机的控制方式有直接的关系，通过改进空压机的控制方案、提高空压机的控制水平将有效地达到控制空压机能源消耗，从而达到节约能源的目的。

空压机恒压控制是通过调节同步电机的励磁电流实现的。监测供气管网压力的变化，调节电机给定电流，改变励磁电流，控制空压机单位时间的出风量，从而达到总管管网压强恒定的目的。由于管网压变阻力惯性比较大，当检测电网谐波引起电机频率的扰动或用户用气量的变化而导致的管网压强变化后，再通过PID调节器抑制频率或压力扰动，此期间空压机装置系统内管道、管件的压力和管内空气流量的变化可能已经出现大幅偏差，因而无法达到恒压调解过程平稳、迅速的要求。尤其在下塔液氮回流、富氧液空提纯阶段，管网压力的波动极易造成气体精馏纯度的变化。

发明内容

为了解决空压机PID串级控制调节系统所造成系统稳定精度较差，动态品质、控制效果不理想等问题，本发明提供一种空压机负荷优化控制系统及方法，其能够有效消除不确定干扰和非线性因素对空压机恒压调速系统的不良影响，提高系统的控制精度和动态品质。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

一种空压机负荷优化控制系统，包括监测主机、信号采集单元、导叶控制单元和电机控制单元，所述信号采集单元、导叶控制单元和电机控制单元分别与监测主机相连；所述信号采集单元监测空压机运行时的电机励磁电流、管网出入口的流量与压力；所述监测主机基于空压机装置特性曲线，结合现场数据，计算电机当前转速、输出功率，修正空压机的运行参数，输出优化控制命令给导叶控制单元和电机控制单元，调整入口导叶开度与电机励磁电流，实现空压机变负荷节能运行。

上述信号采集单元以485总线方式与监测主机相连，其主要由气体流量传感器、气体压力传感器、电流互感器、数据采集卡及各级滤波电路组成，气体流量传感器、气体压力传感器和电流互感器分别采集管网的气体流量、气体压力和电机励磁电流数据，经各级滤波电路进行滤波处理后，由数据采集卡将处理后的数据传送给监测主机。

上述导叶控制单元主要由开度控制模块、执行机构、导叶开度检测模块和开度显示模块组成，以485总线方式、MODBUS通信协议与监测主机实现数据通讯；所述开度控制模块依据监测主机发出的导叶开度调整指令，利用执行机构对入口导叶开度的大小进行控制；导叶开度检测模块采集入口导叶开度调整信息，以负反馈方式叠加到开度控制模块，并同时由开度显示模块显示当前入口导叶的开度值。

上述电机控制单元主要由电机控制模块、励磁装置、电机励磁电流检测模块组成，以485总线方式、MODBUS通信协议与监测主机实现数据通讯；所述电机控制模块依据监测主机发出的负荷优化控制指令，控制励磁装置改变同步电机的励磁电流，实现对同步电机励磁电流的控制；电机励磁电流检测模块实时采集同步电机运行时的励磁电流，以负反馈方式叠加到电机控制模块。

基于上述空压机负荷优化控制系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、根据空压机励磁电流、输出功率、管网出入口的气体流量和压力，依据流动系统机械能守恒原理，建立空压机负荷优化控制系统模型；

步骤二、通过信号采集单元获得电机的实时励磁电流，根据空压机负荷优化控制系统中励磁电流与转矩之间的关系，计算出现场空压机的实时转速；

步骤三、通过信号采集单元中的气体流量传感器和气体压力传感器，测得现场管网入口、出口的气体流量与压力，根据空压机负荷优化控制系统模型，计算出系统调节偏差；

步骤四、根据导叶开度调节系数、励磁电流调节系数与系统调节偏差的关系，计算出导叶开度调节系数和励磁电流调节系数，并将计算结果送入监测主机作为校正参数，监测主机依据收到的校正参数对导叶控制单元和电机控制单元进行控制，确定导叶开度与电机的运行状态，进而实现空压机负荷的优化控制。

本发明的有益效果是：该系统能够有效消除不确定干扰和非线性因素对空压机恒压调速系统的不良影响，提高系统的控制精度和动态品质。与现有的系统相比，在获取信息的准确性、可靠性、实时性，系统的能源消耗、优化控制等方面，都有很大的改进。

附图说明

图1是本发明空压机负荷优化控制系统的结构框图。

图2是本发明的信号采集单元结构框图。

图3是本发明的导叶控制单元结构框图。

图4是本发明的电机控制单元结构框图。

图5是本发明的空压机负荷优化控制方法分解示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明空压机负荷优化控制系统由监测主机、信号采集单元、导叶控制单元和电机控制单元组成。

监测主机为空压机负荷优化控制系统的中心控制模块，选用工业控制计算机，CPU为celon1.6GHz，512M内存，80G硬盘，2个485通讯接口，运行windows操作系统，内嵌c编程语言编写的空压机负荷优化控制方法；以485接口方式与信号采集单元相连，发送控制指令，接收采集数据；同样以485接口方式与电机控制单元相连，发送优化控制指令，调整电机运行状态。

信号采集单元同样以485接口方式与监测主机相连，实现与监测主机的双向通信，并完成采集信息的转换与发送。

如图2所示，信号采集单元为空压机负荷优化控制系统的信号采集、调理、传输部分，由管网气体流量监测模块、管网气体压力监测模块、电机励磁电流监测模块、信号调理模块、数据采集模块和接口组成。

管网气体流量监测模块主要选用气体流量传感器；管网气体压力监测模块主要选用气体压力传感器；电机励磁电流监测模块主要选用电流互传感器；信号调理模块主要选用SCXI 1100调理卡、RC滤波电路；数据采集模块主要选用NI PCI-6040采集卡；接口主要采用485总线方式，MODBUS通信协议与监测主机相连，实现采集信息的转换与发送。

如图3所示，导叶控制单元由开度控制模块、执行机构、导叶开度检测模块和开度显示模块组成，以485总线方式，MODBUS通信协议与监测主机实现数据通讯，实现导叶开度大小的调节。

导叶控制单元采用单闭环负反馈控制。开度控制模块依据监测主机发出的导叶开度调整指令，利用执行机构对入口导叶开度的大小进行控制；导叶开度检测模块采集入口导叶开度调整信息，以负反馈方式叠加到导叶开度控制模块，并同时由开度显示模块显示当前入口导叶开度值。

如图4所示，电机控制单元由电机控制模块、励磁装置、电机励磁电流检测模块组成，以485总线方式、MODBUS通信协议与监测主机实现数据通讯，实现空压机负荷优化控制。

电机控制单元采用单闭环负反馈控制。电机控制模块依据监测主机发出的负荷优化控制指令，控制励磁装置改变同步电机的励磁电流，实现对同步电机励磁电流的控制，即空压机运行状态的改变；电机励磁电流检测模块实时采集同步电机运行时的励磁电流，以负反馈方式叠加到电机控制模块，为空压机广义预测控制提供有力保证。

如图5所示，本发明的空压机负荷优化控制方法包括如下步骤：

1)建立空压机负荷优化控制系统模型

设定空压机负荷优化控制系统中，管网是指压缩机后面背压系统的管路、排气管路以及管路上的附件、设备等全部装置。根据空压机励磁电流、输出功率、管网入口I、出口o的气体流量、压力，遵循流动系统机械能守恒，建立空压机系统模型。

空压机电机轴输出功率：

$N=\sqrt{3}\mathrm{UI}\cos \mathrm{\φ}---\left(1\right)$

其中：U为电动机电源输入的线电压；

I为电动机电源输入的线电流；

cosφ为功率因数，与电机励磁电流有关，改变励磁电流，功率因数也随之改变，变化关系可根据同步电机电磁计算程序获得。

根据系统机械能守恒原理，可得：

$N=\frac{{\mathrm{GH}}_p}{{\mathrm{\η}}_p}+N_f---\left(2\right)$

其中：G为气体质量流量，

$G=\mathrm{\ρQ}=\frac{\mathrm{PQ}}{\mathrm{RT}},$

ρ为气体密度，与当前的管网压力P、容积流量Q和温度T有关，R为气体常数；

H_p为多变能量头，

$H_p=\frac{m}{m-1}\mathrm{RT}[{\mathrm{\ϵ}}^{\frac{m-1}{m}}-1],$

k为绝热指数，ε为压比，

P_o为管网出口压力，P_I为管网出口压力；

η_p为多变效率；

N_f为轴承等机械损失功率和由管网导叶打开后气体泄漏损失功率。

式(1)和式(2)联立，建立cosφ与ε的非线性方程，采用最小二乘法实现曲线拟合法方程组为：

$\left[\begin{array}{ccc}l& \underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_i& \underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\ϵ}}_i}^2\\ \underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_i& \underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\ϵ}}_i}^2& \underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\ϵ}}_i}^3\\ \underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\ϵ}}_i}^2& \underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\ϵ}}_i}^3& \underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\ϵ}}_i}^4\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\\ a_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{\φ}}_i\\ \underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_i{\cos \mathrm{\φ}}_i\\ \underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\ϵ}}_i}^2{\cos \mathrm{\φ}}_i\end{array}\right]$

其中：l为实验数据的组数；

a₀，a₁，a₂为拟合曲线方程的系数。

则可得拟合曲线方程为：

cosφ＝a₀+a₁ε+a₂ε²

2)计算现场空压机运行转速

由信号采集单元获得实时电机励磁电流，根据空压机负荷优化控制系统中励磁电流与功率因数的关系，计算求得当前电机功率因数。依据空压机励磁电流与转矩之间的关系满足：

T＝C_miφ

其中：T为电机转矩；

i电机励磁电流；

φ为磁场强度；

C_m转矩时间常数。

根据空压机系统现场运行特性，可建立动态方程：

$M=\frac{2\mathrm{\πP}}{60}\frac{\mathrm{dN}}{\mathrm{dt}}=T$

其中：M为空压机总转动惯量；

P为为电机极对数；

N为电机转速。

由此计算出当前空压机的实时转速。

3)计算系统调节偏差

根据信号采集单元中气体流量传感器和气体压力传感器，测得现场管网入口、出口气体体积流量与压力，可得当前管网压比为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{P_o}{P_I}$

将计算求得的当前电机功率因数和管网压比代入空压机控制系统模型，求得在当前运行状态下的a₀，a₁，a₂拟合曲线方程系数，与目标系数作差，得到调节偏差Δa₀，Δa₁，Δa₂。

4)计算导叶开度调节系数和励磁电流调节系数

管网流量与导叶开度满足线性比例关系，根据电机转速与管网流量成线性比例关系，与压比的开方成线性比例关系，在空压机控制系统模型中，导叶开度调节系数k主要作用在Δa₀的直流分量内。

在空压机控制系统模型中，励磁电流与管网压比成非线性关系，励磁电流调节系数b分布在调节偏差Δa₀，Δa₁，Δa₂中，满足：

k+b＝Δa₀

b²＝Δa₁

b³＝Δa₂

由此，计算出导叶开度调节系数k和励磁电流调节系数b，再送入监测主机，作为校正参数输入导叶控制单元和电机控制单元，从而确定导叶开度与电机运行状态，完成空压机负荷优化控制方法。

综上所述，本发明充分利用空压机恒压控制过程中诸多参数之间的相互关系，建立空压机负荷优化控制系统模型，解决管网压变阻力惯性大所带来的响应滞后、电网谐波波动引起的电机频率扰动或用户用气量的变化而导致管网恒压控制改变等难点问题，构建实时、智能化的空压机变负荷优化控制平台，不仅有效消除不确定干扰和非线性因素对空压机恒压调速系统的不良影响，提高系统的控制精度和动态品质，而且有利于空压机变负荷节能优化控制，为空压机平稳运行，防止空压机喘振提供可靠的、直观的判据。本发明空压机负荷优化控制系统及方法改进了当前大多数空压机控制系统的监测信息较为单一、鲁棒性差的不足；与现有的系统相比，在信息采集的多样性，获取信息的准确性、可靠性、实时性，系统的准确性、稳定性、鲁棒性等方面，都有很大的改进。

Claims (2)

1.一种空压机负荷优化控制系统，其特征在于，该系统包括监测主机、信号采集单元、导叶控制单元和电机控制单元，所述信号采集单元、导叶控制单元和电机控制单元分别与监测主机相连；所述信号采集单元监测空压机运行时的同步电机励磁电流、管网出入口的流量与压力；所述监测主机基于空压机装置特性曲线，结合现场数据，计算同步电机当前转速、输出功率，修正空压机的运行参数，输出优化控制命令给导叶控制单元和电机控制单元，调整入口导叶开度与同步电机励磁电流，实现空压机变负荷节能运行；

所述信号采集单元以485总线方式与监测主机相连，其由气体流量传感器、气体压力传感器、电流互感器、数据采集卡及各级滤波电路组成，气体流量传感器、气体压力传感器和电流互感器分别采集管网的气体流量、气体压力和同步电机励磁电流数据，经各级滤波电路进行滤波处理后，由数据采集卡将处理后的数据传送给监测主机；

所述导叶控制单元由开度控制模块、执行机构、导叶开度检测模块和开度显示模块组成，以485总线方式、MODBUS通信协议与监测主机实现数据通讯；所述开度控制模块依据监测主机发出的导叶开度调整指令，利用执行机构对入口导叶开度的大小进行控制；导叶开度检测模块采集入口导叶开度调整信息，以负反馈方式叠加到开度控制模块，并同时由开度显示模块显示当前入口导叶的开度值；

所述电机控制单元由电机控制模块、励磁装置、电机励磁电流检测模块组成，以485总线方式、MODBUS通信协议与监测主机实现数据通讯；所述电机控制模块依据监测主机发出的负荷优化控制指令，控制励磁装置改变同步电机的励磁电流，实现对同步电机励磁电流的控制；电机励磁电流检测模块实时采集同步电机运行时的励磁电流，以负反馈方式叠加到电机控制模块。

2.基于权利要求1所述的空压机负荷优化控制系统的控制方法，其特征在于，该控制方法包括如下步骤：

步骤一、根据空压机励磁电流、输出功率、管网出入口的气体流量和压力，依据流动系统机械能守恒原理，建立空压机负荷优化控制系统模型；

步骤二、通过信号采集单元获得同步电机的实时励磁电流，根据空压机负荷优化控制系统中励磁电流与转矩之间的关系，计算出现场空压机的实时转速；

步骤三、通过信号采集单元中的气体流量传感器和气体压力传感器，测得现场管网入口、出口的气体流量与压力，根据空压机负荷优化控制系统模型，计算出系统调节偏差；

步骤四、根据导叶开度调节系数、励磁电流调节系数与系统调节偏差的关系，计算出导叶开度调节系数和励磁电流调节系数，并将计算结果送入监测主机作为校正参数，监测主机依据收到的校正参数对导叶控制单元和电机控制单元进行控制，确定导叶开度与同步电机的运行状态，进而实现空压机负荷的优化控制。

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