智能控制在工厂空压机站的应用

智能控制在工厂空压机站的应用

张慧隆

甘肃烟草工业有限责任公司天水卷烟厂 甘肃 天水 741020

摘要：针对加工厂空压站的工作特点，明确提出了将Bang-Bang控制、Fuzzy控制和PI控制紧密结合在一起的混合控制方式，这样不仅可以极大程度上满足工艺方面的要求，同时还取得了非常好的节能效果。

关键词：智能控制；工厂；空压机；应用

前言：

从以往运行人员的实际操作中，运行人员通常根据管道的标准气压来确定投入运行的空压机的总台数。由于电机的速比不能连续调节，容易造成燃气压力过高。同时，难以达到铸造和制造的恒压气路规定，同时也增加了空压站的耗电量。所以系统运行的可靠性、稳定性和智能化水平能够进一步提高，可以让节能环保的实际效果更加明显。

一、智能控制的定义与由来

智能控制是一种具有智能信息内容处理、智能信息反馈和智能控制管理决策的调节方法，同时也是控制理论在发展过程中的最高阶段，其关键是要解决传统方法无法解决的这些复杂系统的操纵问题。智能控制研究对象的主要特点是具有可变性的数学分析模型、较高的最优控制程度和复杂的日常任务规律。

智能控制的概念在上个世纪六十年代应运而生。当时，学习训练规律的科学研究非常活跃，并得到了很好的应用。例如，针对自动控制系统的任意特性问题和实体模型不明确的问题，开发了自学习训练和响应式方法；1965年，美国普渡大学专家教授傅京孙（KSFu）首先提出了AI研讨会式的逻辑推理标准并应用于学习和训练自动控制系统，1966年，英国科学家门德尔（JM Mendel）首先主张提出将Al用于设计航天器自动控制系统。

二、空压机应用常见问题

空压机应在停放的时候，要避开有蒸汽、液化气、烟雾飞扬的地方。进气口应配备过滤系统。空压机就位后，用保护层垫片对称楔入。

始终保持储罐外部清洁。禁止在储气罐周围进行电焊或热处理。储气罐应每年检测一次，试验工作压力应为压力的1.5倍。压力表和阀门应每年测试一次。

实际操作人员应经过专业学习培训，必须充分掌握空压机及附加机械设备的结构、特点和功能，了解实际操作维护技术规范。

空压机启动前，按规定做好定期检查的准备工作，注意打开储气罐的所有闸阀。发电机运转后，务必进行低速、中速、额定转速比加热运行。注意各仪表板读数是否正常后，即可带载运行。空压机应逐渐增加负荷，待各部件正常后才能满负荷运行。

在空压机的整个运行过程中，随时随地注意仪表板的读数值（尤其是压力表的读数值），认真对各部位的声音进行有效的倾听，如有异常情况，应立即关机检查。储气罐内的最大气压不能超过出厂铭牌要求的工作压力。工作中每隔2~4h打开中间冷却塔和储气罐的冷水排油闸阀1~2次。清洗设备时，严禁长时间运行后用冷水清洗空压机。

空压机关闭时，慢慢打开储气罐自动排气阀，慢慢降低气压，相对降低发电机转速比，使空压机在空压下运行5～10秒。空压机停止后，发电机再次低速运转5秒后停机。冬季气温低于5度时，停机后应将未混入防冻液的冷却循环水排掉，以免结冰对其造成损伤。

清洗散热器时，不要用点火器来消除管路中的油渍。停机后需要进行清洗、拧紧等维护工作。用压缩气体吹扫零件时，严禁将出气口对着人体或其他机械设备，以防受伤和损坏。

按时（每周）对储气罐阀门进行人工排气管试验，确保阀门的安全性和有效性。

设备清洗过程中，空压机长期运行后，其温度会升高，这时严禁用冷水清洗，以免对机器造成损伤。

三、系统的组成

如下图1中显示的空压站自控系统我们不难看出的是，2ⁿ—5ⁿ空压机为恒速空压机，直流空压机为变速空压机。当空压机标准气压不足，另外三台空压机标准气压过高时，会导致资源的消耗。此时，可通过空气控制面板投入2台恒速空压机。在本系统中，配电控制板是所有系统调整的关键，它根据液位传感器采集气体管道的工作压力，从而决定投资恒速空压机和变速空压机的转速。

图1 空压机站系统框图

这个系统软件管网的标准气压比较复杂。首先，系统排气口标准气压的调节效果滞后性较大；其次，由于空压机的一些固有特性，系统软件为非线性系统；此外，在应用过程中电机运行的总次数是任意变化的，可分为恒速和变频调速电机。由于这些因素，很难建立系统软件的动态实体模型，所以选择智能控制是合适的。

四、智能控制系统完成

图2 智能控制原理框图

控制器的设计是根据系统软件运行的优势，我们紧密选择了权威专家智能控制系统和Bang-Bang控制、Fuzzy控制和PI控制，设计方案二级系统结构如上图2所示。

第一级智能控制系统是智能和谐转换器。第二层由Bang-Bang控制板、fuzzy控制器和PI控制板组成。一级权威专家智能和谐控制板是所有控制板的关键。它基于标准气压，响应数据信号决策资金投入恒速空压机总量和变频调速电机空压机3种运行方式的协调切换控制，达到快速、稳定、准确的变速效果。

根据控制理论，当Bang-Bang操作的误差和偏转率较大时，可以加大调整范围来提高操作系统的高频，但容易造成开环益大，如下图 3 所示；

图3 Bang—Bang控制波形图

Fuzzy操纵对被测目标的主要参数变化不敏感，不依赖于域模型。有利于提高系统软件的信息特性。模糊控制器的控制措施如下所示。双输入单输出语言表达的逻辑推理标准表示为：

IF e=e_i and e_c=ec_j THEN u=u_ij

I=1，2，3……n； j=1,2,3……m

Fuzzy关系：R=（E_i×EC_j）U_ij

输出关系：u=（E×EC）°R

输出选择加权平均来宣判。获取控制量；

根据上面的公式，可以先在没有网络的情况下进行测量计算，得到运算表，使用查询表进行同步控制。控制器在设计时对其I/O进行量化分析和分类，通常会导致极限环振荡或静态误差过大等问题，如下图4所示；

选择PI操作时，基本控制措施如下：

上式中，K_p为控制器的比例系数，K_pI为积分稳态值。

PI控制板有利于提高操作系统的可靠性，缺点是高频弱。

变频调速电机空压机受标准气压变化和恒速空压机总投入数量的影响。有时需要快速改变速度，有时需要平稳运行，为了具有较高的稳定性和精度选择了三种方法。三种控制方式中的任何一种单独进行都不能取得很好的实际效果，因此需要将三者的优点结合起来，组成智能混合控制面板。采用智能调和转换器对三种控制措施的转换进行控制。可以得到实际效果的有效调整。

根据上述设计理念，智能转换器根据以下运行标准决定3种运行方案之间的转换：

（1）当|e(t)|≥e_m，且|△e(t)|≥C_m时，进行Bang-Bang操作（U_ct=U_max或U_min）；

（2）当e<|e(t)|s, 且C_s<|Δe(t)| s，进入Fuzzy操作；

（3）当|e(t)|s，且|△e(t)|s，进行PI操作；

（4）当le(t)|<α,且|△e(t)|<β时，系统软件保持当前标准情况。

上式中，e_m，e_s为系统软件的最大与最小偏差，C_m、C_s是系统软件的较大误差弹性系数和最小误差弹性系数，α、β是系统软件的允许误差和允许误差弹性系数。三种操纵方式的转换按以上标准完成提供变速空气压缩机具有良好的静态和动态特性，并避免过渡期间的临界振荡现象。

结语：这个智能控制箱的组成部分有INTEL80C196KC单片机、通用变频器和接触器等。智能控制系统能够在单片机上进行运作。为了将软件系统进行一定程度的简化处理，可以使用ABB公司生产的通用变频器代替现有的变频器，并让其进行现场调试。该控制措施的稳定性、精度和高频度均能满足现场加工工艺要求，取得了显着的节能环保实际效果。

参考文献：

[1]梁慧斌，李学华.西门子PLC在空压机站智能控制系统中的应用[J].煤矿机械2012，33(4):208-211.

[2]郭荣，张国钧，安健.基于PLC的智能空压机及制氮机监控系统[J]仪表技术与传感器，2016，(9):72-74+78.

[3]赵学华，胡泳军，陈丽兵.基于PLC控制的空压机变频调速系统[J].煤矿安全，2009，40(4):47-50.

[4]安德森(AndersonD)著.空气动力学基础.航空工业出版社，2010-02-01.