李 哲

（山煤集團(tuán) 煤業(yè)管理有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

空氣壓縮機(jī)簡稱空壓機(jī)，是一種用來壓縮氣體或傳輸氣體的機(jī)械設(shè)備，在煤礦上具有非常重要的作用，不但可以保障煤礦井下的正常作業(yè)，而且可以在礦井下發(fā)生重大事故時(shí)為工作人員保駕護(hù)航［1］。但是，傳統(tǒng)空壓機(jī)主要采用人工操作或繼電器控制方式，由于煤礦井下復(fù)雜的環(huán)境，需要空壓機(jī)全天不間斷運(yùn)行，使得空壓機(jī)長期處于空載或輕載情況，導(dǎo)致供氣壓力不穩(wěn)定，增大了系統(tǒng)能耗。改變空壓機(jī)控制方式，降低能耗，提高其自動(dòng)化水平已經(jīng)是大勢所趨［2］。為此，本文將高壓變頻技術(shù)引入了空壓機(jī)控制系統(tǒng)中，取代原有工作方式，并結(jié)合傳感器檢測技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)對其進(jìn)行改造，提出一種新型的煤礦空壓機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。

1 空氣壓縮機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能工作原理分析

空壓機(jī)是一種傳輸和壓縮氣體的機(jī)械設(shè)備，本質(zhì)上是把異步電動(dòng)機(jī)的軸動(dòng)率轉(zhuǎn)化為流體的機(jī)械能［3］。假定煤礦上用風(fēng)量恒定，實(shí)際中，空壓機(jī)輸出的空氣壓力正比于氣缸的運(yùn)動(dòng)頻率，而氣缸的運(yùn)動(dòng)頻率又正比于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：

其中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；f為供電頻率；s為轉(zhuǎn)差率；p為極對數(shù)。

根據(jù)式（1）可知，要想改變空壓機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n，只有改變交流電動(dòng)機(jī)的供電頻率f，為此引入了高壓變頻調(diào)速技術(shù)，通過高壓變頻調(diào)速技術(shù)改變電動(dòng)機(jī)的供電頻率f，最終改變空壓機(jī)輸出的氣體壓力，使空壓機(jī)出口風(fēng)壓保持恒定，達(dá)到節(jié)能的目的。

2 空壓機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

空壓機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)整體方案如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由地面監(jiān)控單元、變頻調(diào)速控制單元、溫度預(yù)警單元三大部分組成。

圖1 空壓機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)總體方案

其中，變頻調(diào)速控制單元是系統(tǒng)的核心部分，由變頻器、壓力變送器、PLC組成，可實(shí)時(shí)檢測供風(fēng)出口的壓力參數(shù)并傳輸給PLC控制系統(tǒng)，經(jīng)PLC控制系統(tǒng)分析處理后，通過智能調(diào)節(jié)變頻器的運(yùn)行頻率改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制空壓機(jī)的工作狀態(tài)；地面監(jiān)控單元主要負(fù)責(zé)對整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和統(tǒng)一調(diào)度，單臺(tái)空壓機(jī)硬件系統(tǒng)與上位機(jī)之間通過RS485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的方式進(jìn)行通信；溫度預(yù)警單元主要用于檢測排氣溫度，若超出溫度閾值范圍，系統(tǒng)將進(jìn)行預(yù)警并開啟保護(hù)功能。

3 單臺(tái)空氣壓縮機(jī)硬件系統(tǒng)選型與設(shè)計(jì)

3.1 PLC控制系統(tǒng)選型

PLC控制系統(tǒng)需要同時(shí)對模擬量和數(shù)字量進(jìn)行處理，根據(jù)本系統(tǒng)所要處理的參數(shù)數(shù)量需求，選用西門子S7-200系列PLC。中央數(shù)據(jù)處理單元采用CPU226模塊，該模塊運(yùn)行速度快，可擴(kuò)展性強(qiáng)，擁有數(shù)字輸入24路、數(shù)字輸出16路，完全能夠滿足空壓機(jī)控制系統(tǒng)的輸出控制以及監(jiān)視輸入信號(hào)的功能［4］。模擬量輸入單元選用S7-200型的EM231模塊，其擁有四通道模擬輸入。為增強(qiáng)輸入信號(hào)的抗干擾能力，采用差分和隔離式，同時(shí)該模塊分辨率為12位，模數(shù)轉(zhuǎn)換速率為5μA［5］，測試精度上完全能夠滿足控制系統(tǒng)對空壓機(jī)排氣壓力和溫度的檢測需求。

3.2 變頻控制系統(tǒng)選型與設(shè)計(jì)

本文將高壓變頻調(diào)速技術(shù)引入了空壓機(jī)控制系統(tǒng)中，將壓力變送器采集到的壓力信號(hào)作為反饋信息，通過PLC實(shí)現(xiàn)變頻器以PID控制方式調(diào)節(jié)空氣壓縮機(jī)恒壓供氣運(yùn)行，同時(shí)達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)。煤礦上一般使用螺桿式空氣壓縮機(jī)進(jìn)行工作，其基本參數(shù)為額定電壓380V，額定電流440A，頻率50Hz，功率220kW?；诖?，選用丹弗斯變頻器VLT6000，額定功率為250 kW，并采用“一拖多”運(yùn)行方式，該變頻器適用于空氣壓縮機(jī)這種重載啟動(dòng)的裝置，安全可靠性高，易于控制。

為避免短路或過載現(xiàn)象對變頻器造成損壞，采用RS3系列熔斷器作為短路保護(hù)。RS3系列熔斷器適用于交流電路，要求額定電壓不超過750V，頻率為50 Hz，可用于可控硅元件及其組成的成套裝置的短路或過載保護(hù)［6］。

3.3 壓力變送器選型

壓力變送器主要用于檢測排氣口的風(fēng)壓大小，以模擬量的形式輸入到PLC控制系統(tǒng)中，為PLC智能調(diào)節(jié)變頻器頻率提供一個(gè)反饋信息，最終使空壓機(jī)輸出的風(fēng)壓信號(hào)變?yōu)榭烧{(diào)。根據(jù)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，選用HXT61擴(kuò)散硅壓力變送器，該壓力變送器是一種本質(zhì)安全型防爆變送器，自帶不銹鋼隔離膜片，其可靠性高、小巧便攜、測量范圍寬，適用于一般爆炸性環(huán)境條件。

3.4 溫度變送器選型

溫度變送器主要用于檢測空壓機(jī)的排氣溫度值，一旦該溫度值超過設(shè)定值，則啟動(dòng)報(bào)警功能，若發(fā)生嚴(yán)重超溫狀態(tài)，則關(guān)閉系統(tǒng)開啟保護(hù)功能。井下空壓機(jī)與井上空壓機(jī)對于報(bào)警閾值的要求不同。本系統(tǒng)選用RWB型溫度變送器進(jìn)行溫度檢測，該型號(hào)變送器由溫度傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)換放大模塊組成，可與顯示設(shè)備以及其他控制設(shè)備配套使用，內(nèi)置熱電阻和熱電偶作為測溫元件。具體工作原理為：由測溫元件檢測溫度信號(hào)，然后進(jìn)行穩(wěn)壓濾波、運(yùn)算放大，再經(jīng)非線性校正電路校正，轉(zhuǎn)換成與溫度成線性關(guān)系的4mA～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)編程軟件采用西門子公司的專用PLC編程軟件STEP7-V5，并采用梯形圖語言進(jìn)行編程，該圖形語言簡單直觀、易于學(xué)習(xí)，適用于具有數(shù)字方式的邏輯操控場合［7］。

為減少程序設(shè)計(jì)工作量，便于后期調(diào)試及維護(hù)，采用結(jié)構(gòu)化方式進(jìn)行編程，將整個(gè)系統(tǒng)的功能劃分為多個(gè)子程序模塊，在主程序中設(shè)定好系統(tǒng)邏輯功能，然后統(tǒng)一由主程序進(jìn)行調(diào)用，實(shí)現(xiàn)功能需求。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的程序包括主程序、壓力檢測子程序、排氣溫度檢測子程序、RS485通信子程序、故障分析子程序等。其中，壓力檢測子程序流程如圖2所示。其中，P1、P2、PH、PL分別為一級排氣壓力、二級排氣壓力、高壓閾值、低壓閾值。

圖2 壓力檢測子程序流程

4.2 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對煤礦空壓機(jī)組的遠(yuǎn)程監(jiān)控，該系統(tǒng)采用組態(tài)王軟件開發(fā)了一個(gè)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。組態(tài)王軟件是新型的工業(yè)現(xiàn)場集控軟件，具有開發(fā)快速、擴(kuò)展性強(qiáng)、開放和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢［8］。通過該軟件，將控制系統(tǒng)劃分為管理、監(jiān)測和控制三層，不僅實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的監(jiān)測，還能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的功能。軟件同時(shí)為工作人員提供了友好的圖像監(jiān)控功能，具備表格、圖形圖像和曲線等交互模式，方便工作人員實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場。本系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件界面分為主界面、歷史界面、報(bào)警和報(bào)表界面等，這些界面都通過以太網(wǎng)分別連接著井上井下的各個(gè)PLC控制系統(tǒng)，圖3為監(jiān)控軟件人機(jī)界面結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 監(jiān)控軟件人機(jī)界面結(jié)構(gòu)框圖

5 結(jié)論

本文基于傳統(tǒng)空壓機(jī)控制系統(tǒng)，引入了高壓變頻調(diào)速技術(shù)、傳感器檢測技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，提出一種新型的空壓機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)煤礦排氣口風(fēng)壓的變化通過變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，具有高低壓、過溫預(yù)警功能，并且可以實(shí)現(xiàn)對空壓機(jī)組的遠(yuǎn)程監(jiān)控。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試和運(yùn)行表明：該系統(tǒng)能夠自動(dòng)控制供氣過程，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組恒壓供氣，有效降低了能耗；監(jiān)控軟件功能可靠齊全，人機(jī)界面友好，具有一定的實(shí)用性和社會(huì)推廣價(jià)值。