CN102235361A - 一种螺杆空压机恒压控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种螺杆空压机恒压控制装置，包括控制器、流量传感器、压力传感器、变频器，所述的控制器分别与流量传感器、压力传感器、变频器连接，所述的压力传感器与储气罐连接，所述的流量传感器与排气管连接，所述的变频器与螺杆空压机连接，工作流程包括1)控制器判断是否有螺杆空压机电机运行信号，若为是，执行步骤2)，若为否，执行步骤7)等步骤。与现有技术相比，本发明具有参数设定简单、气压稳定、节能效果好等优点。

Description

一种螺杆空压机恒压控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种空压机控制方法及装置，尤其是涉及一种螺杆空压机恒压控制方法及装置。

背景技术

空气压缩机作为一种重要的能源产生形式，被广泛应用于生活生产的各个环节，尤其是螺杆式的空气压缩机被广泛应用机械，冶金，电子电力，医药，包装，化工，食品，采矿，纺织，交通等众多工业领域，是主流空气压缩机械。螺杆空气压缩机工作原理是基于气体被挤压原理，通过一对带有数条螺旋槽作相对回转的共轭螺杆，在电机和传动机构驱动下互相发生吻合转动，但相互之间不发生直接磨擦(彼此之间存在空隙)，被吸入转子内的空气随螺杆转动而向前推移，在推移过程中，气体所在的螺旋槽空间不断缩小，从而导致气体被压缩使压力升高。螺杆空压机压缩气体过程可分为：吸气过程、封闭及输送过程、压缩及排油过程、排气过程。在整个压缩过程中，机油不断地喷入转动螺杆内部，发挥作冷却、密封和润滑作用。

在实际生产当中应用的压缩机类型还有：离心式压缩机、活塞式压缩机、滑片式压缩机等，但是都相当普遍地使用加、卸载方式控制供气：根据系统空气负荷需求即系统压力来控制空压机运转，当压力降到或升到一定值后加载或卸载，在空载一定时间后停机。在空载的情况下，空压机仍有高于20％的功率消耗。有关资料指出，绝大多数压缩空气载荷存在很大的波动，70％的空压机在额定荷载的40～80％内运行，由于空载造成能源的巨大浪费，降低空压机的电能消耗是企业节能降耗的重要环节。

经常卸载的机组可以根据用气量的大小使用变频器自动调节主电机的转速，使气压基本保持恒定，当用户用气量减少时降低电机的转速从而避免经常卸载，减少了空载导致的能源浪费。当前变频机组系统主要由交流变频调速环节与PID闭环调节环节构成。PID调节在供气提高供气质量和节约能源上都起到了一定的作用，但是PID参数的整定需要经验丰富的工程技术人员来完成，既耗时又耗力，当用户的用气量变化较大时，普通PID控制难以达到既快速响应又超调小的控制效果，因此需要改进的PID控制方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种参数设定简单、气压稳定、节能效果好的螺杆空压机恒压控制方法及装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种螺杆空压机恒压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)控制器判断是否有螺杆空压机电机运行信号，若为是，执行步骤2)，若为否，执行步骤7)；

2)控制器通过压力传感器获得储气罐压力，判断该压力是否大于卸载压力，若为是，执行步骤3)，若为否，执行步骤6)；

3)控制器控制螺杆空压机电机按最低频率运行；

4)控制器判断卸载运行时间是否达到设定的停机延迟时间，若为是，执行步骤5)，若为否，返回步骤3)；

5)控制器取消螺杆空压机电机运行控制信号；

6)控制器根据压力传感器的压力信号、流量传感器的流量信号，以储气罐为对象，结合PID控制，计算恒压控制的电机转速信号，将电机转速信号发送给变频器，由变频器控制螺杆空压机电机的转速。

7)控制器通过压力传感器获得储气罐压力，判断压力是否高于最低压力，若为否，执行步骤8)，若为是，结束；

8)控制器发送螺杆空压机电机运行信号给变频器，变频器控制螺杆空压机电机转动。

所述的步骤6)计算恒压控制的电机转速信号如下：

$i=k_0(P_0-P)+\frac{L}{k_1}$

其中i为控制电流，P₀是目标压强，P为压力传感器采集到的储气罐内压强，L是流量传感器采集到的排气速度，k₀是PID控制的比例系数，k₁是流量、电流比例系数。

一种螺杆空压机恒压控制装置，其特征在于，包括控制器、流量传感器、压力传感器、变频器，所述的控制器分别与流量传感器、压力传感器、变频器连接，所述的压力传感器与储气罐连接，所述的流量传感器与排气管连接，所述的变频器与螺杆空压机连接。

所述的控制器包括单片机、控制面板，所述的单片机通过远程或就地方式与控制面板连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、控制参数意义明确，互不影响，整定非常方便；

2、电机转速随用气量变化而进行调整，提高了控制系统的适用范围，即使用气量大幅波动，也不需要调整控制参数，系统依然能快速响应并稳定工作，有较好的节能效果；

3、放宽了对变频器的启动和停止时间的要求，可以降低变频器的生产成本。

附图说明

图1为本发明的控制流程图；

图2为本发明的硬件结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1、图2所示，一种螺杆空压机恒压控制方法，包括以下步骤：

步骤101，控制器1判断是否有螺杆空压机3电机运行信号，若为是，执行步骤102，若为否，执行步骤107；

步骤102，控制器1通过压力传感器4获得储气罐6压力，判断该压力是否大于卸载压力，若为是，执行步骤103，若为否，执行步骤106；

步骤103，控制器1控制螺杆空压机3电机按最低频率运行；

步骤104，控制器1判断卸载运行时间是否达到设定的停机延迟时间，若为是，执行步骤105，若为否，返回步骤103；

步骤105，控制器1取消螺杆空压机3电机运行控制信号；

步骤106，控制器1根据压力传感器4的压力信号、流量传感器5的流量信号，以储气罐6为对象，结合PID控制，计算恒压控制的电机转速信号，将电机转速信号发送给变频器2，由变频器2控制螺杆空压机3电机的转速。

步骤107，控制器1通过压力传感器4获得储气罐6压力，判断压力是否高于最低压力，若为否，执行步骤108，若为是，结束；

步骤108，控制器1发送螺杆空压机3电机运行信号给变频器2，变频器2控制螺杆空压机3电机转动。

一种螺杆空压机恒压控制装置，包括控制器1、流量传感器5、压力传感器4、变频器2，所述的控制器1分别与流量传感器5、压力传感器4、变频器2连接，所述的压力传感器4与储气罐6连接，所述的流量传感器5与排气管7连接，所述的变频器2与螺杆空压机3连接。

本发明基于空压机供气系统的特点，建立数学模型，概念清晰，简化了PID参数整定过程，实施方便，能更有效地调节变频器，保证供气气压稳定及节约能源。

螺杆空压机3的排气压力一般小于1.2MPa，可以按照理想气体来处理，理想气体的状态方程为：

$\mathrm{PV}=\frac{M}{\mathrm{\μ}}\mathrm{RT}---\left(1\right)$

其中：

P——气体压强，

V——气体体积，

M——气体质量，

T——气体温度，

μ——气体摩尔质量，

R——为普适气体恒量。

螺杆空压机3的排气速度与机头的转速成正比：

v＝Kn

式中：

v——排气速度，

K——比例系数，

n——机头转速。

在时间dt内，储气罐6质量变化为从机头压进的空气与排气管7排除的空气质量差，即：

dm＝M1-M2＝(Kn-L)×dt

式中L是通过流量传感器5采集到的排气速度。假定V、T为恒量，把(1)式写成微分形式：

$\mathrm{dp}=\mathrm{dm}\frac{\mathrm{RT}}{\mathrm{V\μ}}$

即

$\mathrm{dp}=(\mathrm{kn}-L)\frac{\mathrm{RT}}{\mathrm{V\μ}}\mathrm{dt}$

或写作

$\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}=(\mathrm{kn}-L)\frac{\mathrm{RT}}{\mathrm{V\μ}}$

$\mathrm{kn}=\frac{\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}}{\frac{\mathrm{RT}}{\mathrm{V\μ}}}+L$

$n=\frac{\mathrm{V\μ}}{\mathrm{kRT}}\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}+\frac{L}{k}$ (2)

为了使储气罐6的压力恒定，由(2)式可以得到螺杆空压机3电机的转速应该由两部分决定：用气速度和储气罐内压强的变化速度。压强的控制按照比例调节，比例系数反映储气罐内压强变化快慢，电机转速的计算公式：

$i=k_0(P_0-P)+\frac{L}{k_1}$

其中i为控制电流，P₀是目标压强，P为压力传感器采集到的储气罐内压强，L是流量传感器采集到的排气速度，k₀是PID控制的比例系数，k₁是流量、电流比例系数。

由(3)式计算出的电机转速经过标度变换后得到电流信号就可以用做变频器2的控制信号。为了防止震荡，k₀可以取得小一些，同时设置一个调整死期，只有当控制信号变化大于死期时，才调整电机的转速。

实施例2

购买空气压缩机零部件自行组装空压机主机，主机排气压力1.0MPa，额定排气量为3.2m³/min，电机功率22kW，电源380V。使用上海申江容器有限公司的储气罐，容量为2.0m³，工作压力为1.3MPa。压力传感器为西安力敏传感器测控技术有限公司的ND-3数显压力变送器，表压量程0～20KPa，供电24V，输出4～20mA。使用无锡市优量智能流量仪表有限公司的LUGB-2-40流量传感器，量程400m³/h，供电24V，输出4～20mA。变频器为自行开发，根据控制器输送的4～20mA信号，调节电机转速，改变送气速度。

控制器使用89S52单片机为核心，采集模拟量信号有排气压力、油气桶压力、排气温度、油气桶温度、主电机电流A相、主电机电流B相、主电机电流C相、输入电压、环境温度；采集开关量信号有紧停信号、远程启动信号、远程停止信号、主电机过载信号、风机电机过载信号、失水信号、温度开关信号、压力开关信号、空气滤清器堵塞信号、油过滤器堵塞信号、油细分离器堵塞信号；输出模拟量信号有4-20mA变频器控制信号；输出开关量信号有M接触器信号、D接触器信号、S接触器信号、风机接触器信号、泄放电磁阀信号、近控/远控输出信号、运行指示信号、故障输出信号。

控制面板显示空压机的运行状态，通过按键可以查询空压机当前的状态信息，设置各项参数，改变控制方式及运行方式等。

控制方式包含远程控制和就地控制2种。运行方式包含星-三运行和变频运行2种。

变频器设置成4mA电流输入时输出0Hz，20mA电流输入时输出与控制器参数“电机最高频率”相同(50Hz)、加速时间设为7S，减速时间设为4S。打开电源，选择就地控制方式和变频运行方式，设定工作参数：启动压力为0.70MP，停机压力为0.80MP，卸载延迟时间为10秒，死区电流为0.5mA，k₀为100，k₁为0.5，允许长时间运转的最低频率为20Hz(对应控制电流9.6mA)，启动时间为5S。按下启动按钮，控制器根据实际情况测得储气罐内空气压力为0.12MP，低于启动压力，所以发出运行信号给变频器，并根据公式(3)计算控制电流送到变频器，标准化后电流计算公式如(4)所示：

$i=0.8\×(k_0(P_0-P)+\frac{L}{k_1})+4---\left(4\right)$

电流低于9.6mA时取9.6mA，高于20mA时取20mA。

Claims (4)

1.一种螺杆空压机恒压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)控制器判断是否有螺杆空压机电机运行信号，若为是，执行步骤2)，若为否，执行步骤7)；

2)控制器通过压力传感器获得储气罐压力，判断该压力是否大于卸载压力，若为是，执行步骤3)，若为否，执行步骤6)；

3)控制器控制螺杆空压机电机按最低频率运行；

4)控制器判断卸载运行时间是否达到设定的停机延迟时间，若为是，执行步骤5)，若为否，返回步骤3)；

5)控制器取消螺杆空压机电机运行控制信号；

6)控制器根据压力传感器的压力信号、流量传感器的流量信号，以储气罐为对象，结合PID控制，计算恒压控制的电机转速信号，将电机转速信号发送给变频器，由变频器控制螺杆空压机电机的转速。

7)控制器通过压力传感器获得储气罐压力，判断压力是否高于最低压力，若为否，执行步骤8)，若为是，结束；

8)控制器发送螺杆空压机电机运行信号给变频器，变频器控制螺杆空压机电机转动。

2.根据权利要求1所述的一种螺杆空压机恒压控制方法，其特征在于，所述的步骤6)计算恒压控制的电机转速信号如下：

$i=k_0(P_0-P)+\frac{L}{k_1}$

其中i为控制电流，P₀是目标压强，P为压力传感器采集到的储气罐内压强，L是流量传感器采集到的排气速度，k₀是PID控制的比例系数，k₁是流量、电流比例系数。

3.一种螺杆空压机恒压控制装置，其特征在于，包括控制器、流量传感器、压力传感器、变频器，所述的控制器分别与流量传感器、压力传感器、变频器连接，所述的压力传感器与储气罐连接，所述的流量传感器与排气管连接，所述的变频器与螺杆空压机连接。

4.根据权利要求3所述的一种螺杆空压机恒压控制装置，其特征在于，所述的控制器包括单片机、控制面板，所述的单片机通过远程或就地方式与控制面板连接。

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