CN112128107A - 一种空压机智能控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空压机智能控制系统及方法，涉及空压机控制技术领域。本系统包括变频控制单元、数据采集单元以及上位机控制单元；所述数据采集单元将现场采集到的压力信号转换成数字信号传给上位机控制单元，通过与用户设定值比较，进而通过变频器控制单元自动调节输出频率给空压机的电机。本发明通过空压机供风系统中的风量和压力的变化来控制变频器输出频率或增加减少机组，优化机组控制、运行配置，使机组按需运行与调速，达到节能目的。
Description
技术领域
本发明涉及空压机控制技术领域，具体是一种空压机智能控制系统及方法。
背景技术
煤矿建设施工生产中,风动设备的动力来源是空气压缩机，现在已全采用螺杆式空气压缩机。空气压缩机连续工作时间长，耗能占比大。目前对其的控制通常都是由人工手动开停，调节阀控制有载、空载运行，这种控制方式决定了空气压缩机要么工作，要么空载运行，造成了能量损失，同时需要人工介入巡检及停开机，加大了工人劳动强度。
煤矿建井、生产过程中风动工具或设备的动力来源多数是40立方/分空气压缩机，其拖动电动机功率为250KW、电压10000V或6000V，其控制方式一是高压直接启动，这种启动方式对电机和主机冲击较大，电机和主机轴承故障率较高；二是单台机组采用高压变频器变频启动和调速，这种启动控制方式前期投资较大，性价比差、运行也不经济。
随着现代电子技术的发展，变频控制技术已经发展到相当成熟的阶段。国内很多品牌的变频器已经可以达到性能稳定，运行可靠。将压力、风量监测和变频调速系统结合，研究开发空压机变频节能控制系统，优化机组运行方式，对延长设备使用寿命、提高设备生产效率，节约电能具有重要意义；系统采集空压机组的运行数据，对工作不正常的数据超过阈值报警，直观查看运行数据、保障空压机在稳定状态下运行，为企业创造更多的经济效益。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种空压机智能控制系统及方法，通过空压机供风系统中的风量和压力的变化来控制变频器输出频率或增加减少机组，优化机组控制、运行配置，使机组按需运行与调速，达到节能目的。
本发明是以如下技术方案实现的：一种空压机智能控制系统，包括变频控制单元、数据采集单元以及上位机控制单元；所述数据采集单元将现场采集到的压力信号转换成数字信号传给上位机控制单元，通过与用户设定值比较，进而通过变频器控制单元自动调节输出频率给空压机的电机。
优选的，所述数据采集单元包括安装在空压机系统管道上的压力变送器、流量变送器。
优选的，所述上位机控制单元连接有显示屏。
优选的，所述显示屏采用触摸屏。
优选的，所述上位机控制单元实现远程控制，包括平台以及手机APP,管理客户端采用PC机通过浏览器登录平台进行管理办公,手机用户通过APP使用平台功能。
优选的，所述上位机控制单元采用PLC。
一种空压机智能控制方法，变频器根据PLC从空压机系统管道上安装的压力变送器、流量变送器上采集的数据值，与设定值进行比较，根据偏差大小进行PID运算，做出变频器对电机控制，改变电动机转速，从而实现增加、减少供风量的变化，由于增加、减少出风量，这种变化反过来又影响了出风压力的变化，而出风压力和流量的变化又通过压力和流量变送器的测量反馈给变频器，变频器经过运算再次实现频率改变从而实现电机转速调节、转速的改变从而实现流量调节，进而达到自动控制稳定出风压力和流量的目的，实现闭环控制。
本发明有益效果：1、自动控制、精确标定，高效节能；
2、系统配置一台变频器进行启动、调节供风量，自动化程度高，功能齐全、节能，投资经济；
3、运行合理，由于一天内的平均转速下降，轴上的平均扭矩和磨损减少，从而延长空压机的使用寿命；
4、实现软起，负载起停比较平稳，减小了机械机械冲击延长设备机械寿命；
5、起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；
6、采集和存储空压机机组系统运行数据，对参数异常、超过警戒阈值报警；
7、友好的人机界面，参数可交互、可观看、可调节；
8、工业级标准建设，可移动、可拆卸。
附图说明
图1是压力控制变频框图；
图2是结构拓扑图高压变频器一次系统图；
图3是高压变频器一次系统图；
图4是控制系统运行流程图；
图5是系统结构拓扑图；
图6是本发明系统结构图。
具体实施方式
如图1所示，一种空压机控制系统，包括变频控制单元、数据采集单元、上位机控制单元。数据采集单元将现场采集到的压力信号转换成数字信号(4～20mA)传给上位机控制单元，通过与用户设定值比较，在变频器控制单元内部的微电脑智能系统自动调节输出频率给电机，系统自动调节电机输出功率的大小，达到最佳的节能效果，并可与工业触摸屏通讯，实现系统检测和人机交互。
本发明实现闭环控制
根据工艺控制要求，变频器根据PLC从空压机系统管道上安装的压力变送器、流量变送器上采集的数据值，与设定值进行比较，根据偏差大小进行PID运算，做出变频器对电机控制，改变电动机转速，从而实现增加、减少供风量的变化。由于增加、减少出风量，这种变化反过来又影响了出风压力的变化，而出风压力和流量的变化又通过压力和流量变送器的测量反馈给变频器，变频器经过运算再次实现频率改变从而实现电机转速调节、转速的改变从而实现流量调节，进而达到自动控制稳定出风压力和流量的目的，实现闭环控制，见图2结构拓扑图和图4系统流程图。
控制系统初始状态为QS1、QS2、QS3闭合，为3台电机通电做准备，KM1接受主控 PLC的指令闭合，高压变频器接受主控PLC的指令启动，A电机拖动螺杆压风机启动，变频器根据设定螺杆机出口压力自动调节频率运转，当变频器输出达到工频，出口压力和风量仍不能达到设定值，主控PLC发出指令闭合QF1、断开KM1，使A螺杆机工频运转，同时KM2闭合，变频器拖动B电机启动，调频运转B螺杆机，以此类推。当出口压力和风量达到设定值时，变频器维持当前运行状态，当用风量减少时，变频器将降频运行，当降至螺杆机最低允许转速时(频率约25Hz),主控PLC发出指令给正在工频运转的螺杆机，使其停止工作，同时正在变频运行的螺杆机根据设定值和用风量自动变频运行。如果仅有1台螺杆机在变频运行，频率降至螺杆机最低运行频率，螺杆机出口压力已达到设定值(如0.75MPa)且无降低，螺杆机卸荷运行一定时间(如设定 3分钟)不变，主控PLC给变频器指令停止工作，同时相应的断路器断开待机。当系统压力下降至设定值(如0.65MPa),主控PLC根据各机组运行时间，首选工作时间最少的螺杆机变频启动运行，如此循环。见图3一次系统图和4系统流程图
系统通过触摸屏可设定自动、手动控制运行方式。空压机可通过PLC控制变频器及执行元件实现变频启动、变频运行、工频切换、停机等运行模式，也可以实现工频应急启动运转模式。
由于变频器集强电与弱电控制于一体，输出主回路的谐波电流对控制回路产生干扰，影响输进PID信号，使变频器无法正常工作。所以设计安装时，严格按技术规范要求，控制信号线采用屏蔽电缆敷设，布线时与主回路间隔一定的间隔，屏蔽层应可靠接地。
本系统主要由现场的各类型传感器，如压力变送器、流量变送器等。通过信号专用通讯线缆回传测试信号至PLC，并将信号传输到触摸屏进行处理，以功能多样、方便简洁的界面和操作人员互动显示。现场操作人员也可以通过触摸屏对变频器的工作状态进行设定和修改，已达到远程控制的目的。
如图6所示，随着互联网、移动互联网技术以及智能手机的普及，通过建设云端工况远端监测平台，实现远端PC、移动端手机进行数据查看、报警提醒和远程控制，达到高效、快捷的监控和记录矿区系统的目的成为可能的，提高现代化管理水平。
平台采用B/S、A/S混合架构模式，系统主要由平台程序、手机APP组成。管理客户端采用PC机通过浏览器登录平台进行管理办公。手机用户可通过APP使用平台功能。 3.2.1.1平台程序：平台程序部署在云端。系统可采用Linux或Windows Server。平台数据服务主要承担为APP和前端业务提供支撑，以及协调人空压机控制系统与用户之间的注册和通讯。手机APP主要实现人员信息注册、监测数据查看、报警记录、远端控制。
本系统功能
| 核心模块 | 主要内容 |
| 用户注册 | 分权限实名注册 |
| 信息查询 | 用户根据权限都可以使用APP查询功能 |
| 远程控制 | 用户根据权限都可以使用APP对系统控制 |
| 报警模块 | 报警提醒、报警记录查询 |
表1手机APP主要功能
表2平台主要功能
| 编号 | 名称 | 功能描述 |
| KJ-010 | 数据库 | 库表、连接类、数据查询、操作基础类 |
| KJ-020 | UI框架 | 导航菜单(图标)、二级菜单、状态栏、主UI框架 |
| KJ-030 | 系统登录 |
表3基础框架功能
| 编号 | 名称 | 功能描述 |
| JK-010 | PLC接口 | |
| JK-020 | 变频器接口 |
表4数据接口功能
工作原理：空压机能够根据系统中压力变化自动调节电机的运行数量与转速。空压机控制系统根据实际使用情况，计算所需的制风量，从而计算出所需投入的机组数量以及空压机的转速，通过PLC自动控制整个系统内的电器(进线断路器、变频器、出线接触器、空压机灯)，以达到所需要求出口压力。当达到所需要求时，变频器保持当前状态运行；当出口压力大于设定值时，压力传感器将信息传递给控制系统，控制系统根据变频器运行状态(待机或变频拖动电机)传达指令到变频器，由变频器控制电机降速，若电机降速不能达到降低出口压力要求，主控PLC发出停机命令，选择运行工作时间最长的空压机停机，减少运行的空压机台数；当出口压力小于设置值时，则相反，需要提速或增加运行机组。若所有机组全工频运行时却始终达不到设定的出口压力，主控发出报警信号，管理人员可以及时查看现场并处理问题，通过互联网、移动网技术，可以在手机端实时查看机组的运行状态，并在手机端可以远程对空压机进行控制。
通过本发明变频改造产生的经济效益
(1)变频改造产生的直接效益
由于压风机为平方转矩负载，根据实践统计的数据，经过变频节能改造后可节能20％～50％。
(2)变频改造产生的间接效益
结合计算机技术的应用，空压机变频改造后，对整个控制工艺有较大改进，对生产成本也有一定降低。
(3)延长设备的使用寿命、降低人员工作强度
空压机工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量时，电机转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长机组的使用寿命，同时维护工作量降低、检修费减少。
改造后，阀门开度可调到100％，运行中阀门不受压力，避免了以前阀门长期工作在固定开度，阀门自身磨损，导致阀门控制特性变差。
对管网压力实时监控，自动调节，避免了过高压力威胁系统设备密封性能，阀门泄漏和不能关严等情况发生。
电动机采用变频启动方式，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响。变频改变电机转速，避免了以前启动后电机满负荷运行，导致设备使用寿命缩短。
实现恒压、恒流自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度。
适应电网电压波动性强，工作电压宽，电网电压在+10％～-10％之间波动时，系统均可正常运行。
(4)增产、增效、节能
部分负荷状态变频节能：根据压力采集，压力小于设定值，变频器改变电动机电源频率，而达到调节电机转速改变出风流量，具有节省用电量，降低管道阻力，大大减少截流损失的效能。
由于空压机工作在变频工作状态，电动机消耗功率和转速的立方成正比，电动机转速稍降低，消耗功率会大幅下降，故系统在运行过程中节能效果明显(平均25％以上)。实时数据监测，随时动态跟踪工艺进行风量调节，使系统满足最佳工艺的要求。
综上所诉，空压机进行变频改造，既能延长设备的使用寿命、提供生产效率，又能节省前期投资、节约运行电能和成本，其产生的社会效益也是非常客观。
Claims (7)
1.一种空压机智能控制系统，其特征在于：包括变频控制单元、数据采集单元以及上位机控制单元；所述数据采集单元将现场采集到的压力信号转换成数字信号传给上位机控制单元，通过与用户设定值比较，进而通过变频器控制单元自动调节输出频率给空压机的电机。
2.根据权利要求所述的一种空压机智能控制系统，其特征在于：所述数据采集单元包括安装在空压机系统管道上的压力变送器、流量变送器。
3.根据权利要求1所述的一种空压机智能控制系统，其特征在于：所述上位机控制单元连接有显示屏。
4.根据权利要求3所述的一种空压机智能控制系统，其特征在于：所述显示屏采用触摸屏。
5.根据权利要求1所述的一种空压机智能控制系统，其特征在于：所述上位机控制单元实现远程控制，包括平台以及手机APP,管理客户端采用PC机通过浏览器登录平台进行管理办公,手机用户通过APP使用平台功能。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种空压机智能控制系统，其特征在于：所述上位机控制单元采用PLC。
7.一种空压机智能控制方法，其特征在于：变频器根据PLC从空压机系统管道上安装的压力变送器、流量变送器上采集的数据值，与设定值进行比较，根据偏差大小进行PID运算，做出变频器对电机控制，改变电动机转速，从而实现增加、减少供风量的变化，由于增加、减少出风量，这种变化反过来又影响了出风压力的变化，而出风压力和流量的变化又通过压力和流量变送器的测量反馈给变频器，变频器经过运算再次实现频率改变从而实现电机转速调节、转速的改变从而实现流量调节，进而达到自动控制稳定出风压力和流量的目的，实现闭环控制。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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