CN103244399B - 大型往复式压缩机气量无级调节方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种大型往复式压缩机气量无级调节方法和装置，可用于煤炭、石油、能源、化工等工业行业，通过脉冲信号控制电磁阀驱动压缩机盖侧进气阀和轴侧进气阀的强制开启时间来实现，盖侧与轴侧电磁阀的脉冲控制信号占空比一致，轴侧脉冲在时序上滞后T/2，本发明采用光电传感器获取止点信号使周期同步，同时利用滤波算法对采集的排气压力值进行预处理，以克服由于随机干扰以及压缩机转速变化而对控制性能的影响，手动和自动模式能方便地无扰切换，调节装置由两套容错式PLC系统以及执行机构组成，包括信号采集模块、滤波模块、同步周期调整模块、控制模块等，本发明具有控制精度高、抗干扰能力强、操作简便、节能效果明显等特点。

Description

大型往复式压缩机气量无级调节方法与装置

技术领域

本发明属于工业装备节能技术领域，特别涉及一种大型往复式压缩机气量无级调节方法与装置。

背景技术

大型往复式压缩机在国民经济支柱产业，如煤炭工业、石油工业、能源工业、化工等行业有着非常广泛和重要的作用，是各过程工业中不可或缺的关键设备之一。为适应工艺流程变化的需要，压缩机大多情况下并不需要在满负荷下运行，需要根据实际的工况和压缩机的运行参数进行气量、压力的调节。对于小型压缩机，通常通过对驱动电机进行变频调速来实现对流量的控制。对于大型往复式压缩机，由于目前大功率变频器还存在技术问题及成本昂贵，因此不能采用传统的气量调节办法来实现对大型压缩机的控制。

对大型压缩机的气量调节方式，目前主要有：管路调节方式（分为节流进气、切断进气、旁通管路调节）、顶开进气阀调节方式（分为全行程顶开进气阀、部分行程顶开进气阀）、连通补助容积方式。旁通调节是目前使用较广泛的一种调节方式，主要方法是将压缩机所排出的气体通过旁路和旁通阀门按一定比例通过进气阀门返回进气管路，从而实现流量调节。这种方案结构简单、实现容易，但是，对工艺不需要的气体同时进行压缩，导致压缩机以较高的负荷运行，影响其性能和寿命。

为克服以上缺陷，已经有中国专利（CN101173658A）提出通过顶开进气阀来达到调节流量的作用，其调节原理是压缩机进入压缩行程之前（即吸气阶段），强行顶开进气阀，部分将要被压缩的气体从气缸中通过进气阀回流至进气管路，气缸内的剩余气体被压缩并通过排气阀排出。该方法由压缩机的满负荷运行的最大排气量和实际所需排气量确定占空比，通过一个控制系统和一个或多个能够压开吸气阀的执行机构，控制压缩机吸气阀的顶开，使压缩机加载循环与空载循环间隔分布并符合占空比，从而均匀的提供所需排气量。这种方法可以实现压缩机排气量的无级调节，但由于其占空比的计算根据所需排气量和最大排气量的比值，没有采用反馈控制，因此超调量大、调节时间长。它只控制一个吸气阀门，加上机械元件的老化和各种干扰因素，压缩机的控制周期变化较大，控制精度低。未采用冗余控制结构，控制系统的潜在故障率较高，单一的自动模式，使得紧急或特殊情况下可能发生危险。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种大型往复式压缩机气量无级调节方法与装置，可实现排气量0～100%连续调节，精度高、振动小、调节速度快、节能效果好、安全性高，能够克服工业现场的干扰，并且随压缩机机械性能的改变、老化而始终具有良好的控制性能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种大型往复式压缩机气量无级调节方法，通过脉冲信号控制电磁阀驱动压缩机盖侧进气阀和轴侧进气阀的强制开启时间来实现，其中脉冲信号的通断占空比DR是根据排气压力的实际采集值P和预先设定值P₀的偏差并利用PID算法获得，通断占空比DR在T/4～3T/4之间变化，T为压缩机的吸气排气周期，与控制周期同步，在一个控制周期内，在0～T/4时间内，盖侧电磁阀是关闭的；当到达T/4时刻，盖侧电磁阀开始上电并打开盖侧进气阀，到达3T/4时刻后，轴侧电磁阀开始上电并打开轴侧进气阀，盖侧电磁阀与轴侧电磁阀输出的脉冲信号占空比一致，但轴侧电磁阀输出的脉冲在时序上滞后T/2。

其中，所述压缩机的吸气排气周期与控制周期同步是通过在飞轮上安装的光电传感器所提供的止点信号实现的。

所述通断占空比DR根据不同控制模式按下式确定：

$\mathrm{DR}=-\frac{T}{4}y\left(t\right)+\frac{T}{2}$ 自动控制模式

$\mathrm{DR}=-\frac{T}{2}{P}_0+\frac{3T}{4}$ 手动控制模式

其中，y(t)∈[-1，1]， $y\left(t\right)=\mathrm{Kp}[e\left(t\right)+\frac{1}{\mathrm{Ti}}\∫e\left(t\right)\mathrm{dt}+\mathrm{Td}\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}],$ e(t)=P₀-P，Kp为比例系数，Ti为积分系数，Td为微分系数。

优选地，在每个控制周期中，对排气压力进行5次均匀采样，通过平均值滤波算法，得到归一化的排气压力值，然后参与通断占空比DR运算；采集每个止点信号发生的时刻，利用计算出的脉冲发生时间差获取在100ms至250ms范围变化的控制周期。

本发明同时提供了一种大型往复式压缩机气量无级调节装置，包括：

信号采集模块，采集排气压力实际值P以及止点信号；

同步周期调整模块，接收信号采集模块所发送止点信号得到与压缩机吸气排气周期同步的控制周期；

PID控制模块，接收排气压力实际值P、排气压力设定值P₀以及同步周期调整模块得到的同步周期信号，根据公式得到PID控制输出y(t)∈[-1，1]，e(t)=P₀-P，Kp为比例系数，Ti为积分系数，Td为微分系数；

占空比计算模块，根据PID控制输出y(t)由公式计算得到控制脉冲的通断占空比DR；

脉冲输出模块，将每个周期的控制信号都延时T/4输出，并以所述通断占空比DR输出两个相位差为T/2的脉冲信号；

执行机构，包括驱动压缩机盖侧进气阀的盖侧电磁阀和驱动压缩机轴侧进气阀的轴侧电磁阀，所述两个脉冲信号中时序滞后的一个脉冲信号控制轴侧电磁阀，另一个脉冲信号控制盖侧电磁阀。

优选地，调节装置还包括归一化模块，此时信号采集模块对排气压力进行多次均匀采样，由归一化模块进行算数均值滤波，得到归一化的排气压力值，然后输出至PID控制模块。

优选地，所述调节装置由两套容错式PLC系统构成，两套PLC通过PROFIBUS现场总线进行通讯，对状态参量、故障信号、报警信息进行同步采样，其主备系统的切换时间小于500ms，提供手动控制和自动控制两种工作模式切换工作，在手动控制模式下根据设置的手动排气压力值，将范围为[0～100%]的设定值线性的映射为对应的占空比值，根据占空比输出控制信号；自动/手动切换时，根据切换前的控制器输出值和占空比计算出对应手动设定值，将原手动设定值切换至该值，维持占空比不变。

与现有技术相比，本发明通过同时调节盖侧和轴侧进气阀的控制脉冲占空比实现对压缩机气量的无级调节，利用在压缩机飞轮上安装的光电传感器来产生止点信号对控制循环进行触发，并根据止点信号动态调整控制周期。本发明提供了自动和手动两种工作模式，可进行无扰切换，从而弥补和改善现有控制方式及装置波动大，调节性能、安全性较差，受干扰信号影响较严重，以及随机械老化导致的控制精度较低等问题。

附图说明

图1是本发明的控制原理框图。

图2是本发明的调节阀时序图。

图3是本发明的执行机构原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明的基本原理是：气量无级调节通过对压缩机盖侧和轴侧进气阀强制开启时间的控制来实现，进气阀由电磁阀驱动，电磁阀的通断由控制脉冲的占空比决定，占空比越大，进气阀开启时间越长，吸气量越大，排气量越小，反之亦然。压缩机每进入一个吸气排气周期，控制系统同步进入一个控制周期，由止点信号触发。止点信号是压缩机一个工作周期开始时，由飞轮相应位置上安装的光电传感器感应发出的脉冲信号，是每一个控制周期开始的触发信号。电磁阀的控制脉冲占空比在T/4～3T/4之间变化，由PID控制器根据排气压力与排气压力设定值计算得到。在一个控制周期内，在0～T/4时间内，电磁阀是关闭的；当到达T/4时刻，盖侧电磁阀开始上电并打开盖侧进气阀，到达3T/4时刻后，轴侧电磁阀开始上电并打开轴侧进气阀，盖侧电磁阀与轴侧电磁阀输出的脉冲信号占空比一致，但轴侧电磁阀输出的脉冲在时序上滞后T/2。

实时地测量排气压力值，为了保证控制精度，克服工业现场的干扰，对参与PID运算的排气压力实际值采用抗干扰滤波算法。在每个控制周期中，对排气压力进行5次均匀采样，通过算数均值滤波，得到准确的吸气压力值参与PID运算。集每个止点信号发生的时刻，利用计算出的时间差获取在100ms至250ms范围变化的控制周期。

控制装置由两套容错式PLC系统构成，两套PLC通过PROFIBUS现场总线进行通讯，对状态参量、故障信号、报警信息进行同步采样，主用PLC遇到故障时，主备系统的切换时间一般不超过500ms。控制系统提供手动和自动两种工作模式，并能够自动/手动无扰切换；手动模式下，根据用户设置的手动排气压力值，将范围为[0～100%]的设定值线性的映射到范围为[T/4，3T/4]的占空比值，对盖侧进气阀，在0～T/4时刻，控制信号输出为0，从T/4～T这段时间，根据手动模式的占空比计算值输出控制信号，轴侧阀滞后盖侧阀T/2；当进行自动/手动切换时，根据PID输出值和占空比计算出对应手动设定值，并使原手动设定值切换至这个值，维持占空比不变。

具体实现方法如下：

本发明由两套容错式PLC控制系统和一套液压执行机构来实现，如图1所示，本气量无级调节装置的控制原理框图，其中的功能模块包括信号采集模块、同步周期调整模块、滤波处理模块、归一化模块、PID控制模块、占空比计算模块、脉冲输出模块、显示与操作模块以及执行机构。

信号采集模块分为AI信号采集模块和DI信号采集模块，AI模块和滤波模块相连接，采集压缩机排气压力、吸气压力、盖侧阀温、轴侧阀温等参数，滤波模块对这些参数进行滤波，以克服干扰信号，经滤波的数据送到归一化模块进行归一化处理，换算成[0，1]之间的归一化排气压力值。DI信号采集模块连接同步周期模块，采集工厂DCS端的相关信号、止点信号，以及显示与操作模块的控制信号等，其中止点信号输入至同步周期模块计算出此时的控制周期。

显示与操作模块上端连接滤波模块，将来自滤波模块的排气压力值显示在控制面板上；下端连接控制模块中的归一化模块，将排气压力设定值传入归一化模块。同时，该模块与控制模块进行双向通信完成对整个控制系统各部分的监控、报警以及下达各种控制指令。

PID控制模块接受归一化排气压力值、归一化排气压力设定值和同步周期，得到PID控制器输出，其范围是[-1，1]，通过占空比计算模块将该输出转换成占空比值，再传入脉冲输出模块，使每个周期的控制信号都延时T/4输出，并产生2个相位差为T/2的脉冲信号，传送至执行机构。

其中涉及的软件过程包括信号采集、信号滤波、同步周期、控制等环节，信号采集是实时地采集各种状态信号，将这些信号经信号滤波模块和同步周期采集模块送到控制器模块并在人机界面模块中进行显示。PID控制处理过程包括归一化、PID控制、占空比计算和脉冲输出过程。在每个控制周期内，归一化过程接受来自信号滤波模块的实时排气压力值P，以及人机界面模块传送来的排气压力设定值P₀，根据最大排气压力值P_max，用式P=P/P_max对其进行归一化，得到归一化排气压力值P和归一化排气压力设定值P₀，P₀范围为[0，1]。PID控制过程接收来自同步周期模块计算出的本次控制周期的时间T，以及来自归一化模块的归一化排气压力值P和归一化排气压力设定值P₀，求出设定压力和实际排气压力的偏差e(t)=P₀-P。然后按照比例积分微分控制算法，根据下式计算输出信号

$y\left(t\right)=\mathrm{Kp}[e\left(t\right)+\frac{1}{\mathrm{Ti}}\∫e\left(t\right)\mathrm{dt}+\mathrm{Td}\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]$

其中，y(t)∈[-1，1]。然后根据式计算占空比DR，DR∈[T/4，3T/4]。为了使控制系统的输出不影响压缩机本身的机械性能，须等到每个周期中压缩机自然打开盖侧和轴侧进气阀之后再控制其强制顶开时间。经理论计算和实际测试，这个自然打开进气阀门的时间为T/4，因此在每个控制周期，脉冲输出模块对脉冲信号延时T/4后，再根据占空比向执行机构输出脉冲信号，其中向轴侧阀组输出的脉冲在时序上滞后盖侧阀组T/2。这样可以有效提高压缩机寿命，提高机械性能和控制性能。

执行机构包括盖侧进气阀和轴侧进气阀，控制模块的输出信号连接至固态继电器，由固态继电器控制电磁阀的通断。电磁阀通电时，进气阀被顶开；电磁阀断电时，进气阀关闭。电磁阀带电时间越长，进气阀打开的时间就越长，就有越多的气体通过进气阀回流至进气管路，进气压力就越高，排气压力就越低，反之亦然。通过执行机构实现对气量的0-100%的无级调节。

本发明的调节系统提供手动和自动两种工作模式，当系统运行在手动模式下，PID控制模块接受显示与操作模块设置的排气压力设定值P₀，范围是[0～100%]，通过式

$\mathrm{DR}=-\frac{T}{2}{P}_0+\frac{3T}{4}$

得到脉冲输出占空比，在每个控制周期，脉冲输出模块延时T/4后按照这个占空比输出控制信号至执行机构，其中向轴侧阀组输出的脉冲在时序上滞后盖侧阀组T/2。

控制系统能够实现自动/手动无扰切换。系统运行在自动模式时，实时在线记录PID输出值y(t)，当进行自动/手动切换时，利用式

P₀=0.5y(t)+0.5

计算出对应手动设定值，并使原手动设定值切换至这个值，利用上述手动模式占空比计算方法，维持占空比不变。

整个控制过程中控制周期须与压缩机工作周期实时同步，压缩机驱动电机飞轮相应位置上安装的光电传感器在每个控制周期发出脉冲信号，以此作为控制同步周期开始的触发信号。当同步周期采集模块采集到DI模块的止点信号后，开始一个新的控制周期，并记录其系统时间，逐次求差，动态的选择结果为100ms～250ms的值作为有效的同步周期。通过该模块可以有效避免由设备老化和机械性能变化带来的控制性能变差，提高控制精度。

AI模块在一个控制周期内对排气压力值进行若干次采样，如果采样点数过多则过多占用系统资源而控制性能提升不大，采样点数过少则无法达到滤波效果，经理论计算和实验测试，这个点数取5，采样频率33.3Hz。滤波模块在每个周期对采样值进行滤波，可使用算术平均滤波法、限幅滤波法、一阶滞后滤波法，等等。这些滤波算法各有优缺点，考虑算法复杂性和控制性能的要求，在本发明中，经多次测试，采用算术平均滤波算法，可以有效消除干扰信号的影响。算术平均滤波的结果送入控制模块为控制系统提供可靠的输入数据，同时传送至显示与操作模块供操作人员参考。

为了增强系统可靠性，降低系统平均无故障时间MTBF，本发明中，控制系统采用两套容错式PLC系统构成，两套PLC通过PROFIBUS数据同步通讯链路进行通讯，实时同步物理参数（包括排气压力、排气压力设定值等）、设备故障信号、报警信息等，当主用系统发生故障或者满足式

且持续90秒，则自动切换至备用系统，其主备系统的切换时间一般不超过500ms。

参见图2，压缩机的控制周期为T，其中T/2的时间处于吸气状态，另外T/2的时间处于压缩排气状态。对于盖侧阀组，止点信号触发后进入吸气状态，0～T/2吸气，T/2～T排气，吸气至时刻T/4，到达电磁阀带电起始时刻，占空比在T/4～3T/4之间变化，具体由控制程序计算得到。对于轴侧阀组，止点信号触发后进入压缩排气状态，0～T/2排气，T/2～T吸气，排气至时刻T/4，电磁阀到达带电起始时刻，占空比在T/4～3T/4之间变化，具体同样由控制程序计算得到，只需在盖侧脉冲的基础上延时T/2后得到。

当切换至手动模式时，采用手动模式控制方法计算占空比，盖侧进气阀在0～T/4时刻，控制信号输出为0，从T/4～T这段时间，根据手动模式的占空比计算值输出控制信号，轴侧阀滞后盖侧阀T/2；系统运行在自动模式时，实时记录控制器输出值，当进行自动/手动切换时，根据控制器输出值和占空比计算出对应手动设定值，并使原手动设定值切换至这个值，维持占空比不变。

参见图3，控制模块根据排气压力信号和排气压力设定值控制电磁阀的通断，电磁阀由固态电磁继电器驱动，电磁阀通电时，进气阀门被顶开；电磁阀断电时，进气阀关闭，电磁阀带电时间越长，进气阀打开的时间就越长，就有越多的气体通过进气阀回流至进气管路，进气压力就越高，排气压力越小，反之亦然。

为了克服工业现场的各种干扰，得到可靠的排气压力值，采用算术平均滤波算法对测量的压力值进行滤波。在一个周期内，若采样点数过多，会导致资源浪费，采样点数过少又无法有效去除干扰信号。经多次实验，采样点数取5具有良好的控制性能，即30ms采样一次。实际工业现场中，由于机械元件老化和各种干扰因素导致的控制周期的变化，控制脉冲输出波形劣化，控制精度变差，为了解决这些问题，本发明采用动态同步周期计算法，在每个控制周期计算其同步周期T，从而使T能够动态变化，提高控制精度。

为了对气量无级调节方法的线性度、控制精度和节能效果等性能进行验证，在实验室搭建了压缩机试验平台，压缩机为两缸两级压缩，一级缸压缩排出的气体再经二级气缸压缩，一级缸进气阀根据一级排气压力来控制，二级缸进气阀根据二级排气压力来控制，容错式PLC采用西门子300。

（1）压缩机气量变化线性度测试

压缩机气量变化线性度测试数据表

由上表可知，该调节系统线性度好，线性度达到1.9‰；

（2）压缩机气量控制精度测试

当排气压力为760KPa时，排气量的理论计算值为11.40%，实际排气量为11.94%，绝对误差0.54%，相对误差4.73%；当排气压力为800KPa时，排气量的理论计算值为12.00%，实际排气量为12.36%，绝对误差0.36%，相对误差3.00%。因此，该调节系统控制精度高。

（3）压缩机节能性能测试

系统投用前压缩机耗电恒定，与压缩机负荷、流量变化无关。当压缩机负荷从30%增加到100%时，各级旁路阀的开度逐渐减小，功率百分比在100%附近波动，变化非常小，即在流量较小时，大部分流量通过压缩后经旁路阀返回，导致了大量的能耗浪费。

系统投入使用后，当压缩机负荷为80%时，功率百分比80.56%，当压缩机负荷为40%时，功率百分比55.56%。

Claims (8)

1.一种大型往复式压缩机气量无级调节方法，其特征在于，通过脉冲信号控制电磁阀驱动压缩机盖侧进气阀和轴侧进气阀的强制开启时间来实现，其中脉冲信号的通断占空比DR是根据排气压力的实际采集值P和预先设定值P₀的偏差并利用PID算法获得，通断占空比DR在T/4～3T/4之间变化，T为压缩机的吸气排气周期，与控制周期同步，在一个控制周期内，在0～T/4时间内，盖侧电磁阀是关闭的；当到达T/4时刻，盖侧电磁阀开始上电并打开盖侧进气阀，到达3T/4时刻后，轴侧电磁阀开始上电并打开轴侧进气阀，盖侧电磁阀与轴侧电磁阀输出的脉冲信号占空比一致，但轴侧电磁阀输出的脉冲在时序上滞后T/2。

2.根据权利要求1所述大型往复式压缩机气量无级调节方法，其特征在于，所述压缩机的吸气排气周期与控制周期同步是通过在飞轮上安装的光电传感器所提供的止点信号实现的。

3.根据权利要求1所述大型往复式压缩机气量无级调节方法，其特征在于，所述通断占空比DR根据不同控制模式按下式确定：

$\mathrm{DR}=-\frac{T}{4}y\left(t\right)+\frac{T}{2}$ 自动控制模式

$\mathrm{DR}=-\frac{T}{2}{P}_0+\frac{3T}{4}$ 手动控制模式

其中， $y\left(t\right)\∈[-\mathrm{1,1}],y\left(t\right)=\mathrm{Kp}[e\left(t\right)+\frac{1}{\mathrm{Ti}}\∫e\left(t\right)\mathrm{dt}+\mathrm{Td}\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}],e\left(t\right)=P_0-P,$

Kp为比例系数，Ti为积分系数，Td为微分系数，y(t)为PID控制输出。

4.根据权利要求1所述的大型往复式压缩机气量无级调节方法，其特征在于，在每个控制周期中，对排气压力进行5次均匀采样，通过平均值滤波算法，得到归一化的排气压力值，然后参与通断占空比DR运算；采集每个止点信号发生的时刻，利用计算出的脉冲发生时间差获取在100ms至250ms范围变化的控制周期。

5.一种大型往复式压缩机气量无级调节装置，其特征在于，包括：信号采集模块，采集排气压力实际值P以及止点信号；同步周期调整模块，接收信号采集模块所发送止点信号得到与压缩机吸气排气周期同步的控制周期；PID控制模块，接收排气压力实际值P、排气压力设定值P₀以及同步周期调整模块得到的同步周期信号，根据公式

$y\left(t\right)=\mathrm{Kp}[e\left(t\right)+\frac{1}{\mathrm{Ti}}\∫e\left(t\right)\mathrm{dt}+\mathrm{Td}\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]$

得到PID控制输出y(t)∈[-1，1]，e(t)＝P₀-P，K_p为比例系数，T_i为积分系数，T_d为微分系数；

占空比计算模块，根据PID控制输出y(t)由公式计算得到控制脉冲的通断占空比DR；

脉冲输出模块，将每个周期的控制信号都延时T/4输出，并以所述通断占空比DR输出两个相位差为T/2的脉冲信号；

执行机构，包括驱动压缩机盖侧进气阀的盖侧电磁阀和驱动压缩机轴侧进气阀的轴侧电磁阀，所述两个脉冲信号中时序滞后的一个脉冲信号控制轴侧电磁阀，另一个脉冲信号控制盖侧电磁阀。

6.根据权利要求5所述的大型往复式压缩机气量无级调节装置，其特征在于，还包括归一化模块，信号采集模块对排气压力进行多次均匀采样，由归一化模块进行算数均值滤波，得到归一化的排气压力值，然后输出至PID控制模块。

7.根据权利要求5所述的大型往复式压缩机气量无级调节装置，其特征在于，所述调节装置由两套容错式PLC系统构成，两套PLC通过PROFIBUS现场总线进行通讯，对状态参量、故障信号、报警信息进行同步采样，其主备系统的切换时间小于500ms，提供手动控制和自动控制两种工作模式切换工作，在手动控制模式下根据设置的手动排气压力值，将范围为[0～100％]的设定值线性的映射为对应的占空比值，根据占空比输出控制信号；自动/手动切换时，根据切换前的控制器输出值和占空比计算出对应手动设定值，将原手动设定值切换至该值，维持占空比不变。

8.根据权利要求7所述的大型往复式压缩机气量无级调节装置，其特征在于，在两套容错式PLC系统中，当主用系统发生故障或者满足式

$\frac{|P-P_0|}{P_0}>5\%,$

且持续90秒，则切换至备用系统，切换时间不超过500ms。