張曉冬

（山西亞美建筑工程材料有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

一、引言

X鋼鐵公司進(jìn)行鋼鐵冶煉需要大量的能源燃料，在最初以煤、石油作為主要燃料，但隨著國(guó)家對(duì)于環(huán)境治理的重視以及對(duì)京津冀地區(qū)高污染企業(yè)的整治與管理，X鋼鐵公司也做出了相應(yīng)的改革，將天然氣作為的燃料能源來(lái)減少對(duì)于環(huán)境的污染。X鋼鐵公司購(gòu)進(jìn)了兩臺(tái)OGFD37的空壓機(jī)和一臺(tái)OFGFD45的空壓機(jī)來(lái)滿足冶煉鋼鐵的用氣需要，其編號(hào)分別為1A、2A、3A。從投入運(yùn)行后，機(jī)器總體部位工作正常，但是由于氣體損耗不同導(dǎo)致各個(gè)氣管氣壓不同，使得總氣管的壓力值在0.7MPa-1.25MPa之間產(chǎn)生較大的波動(dòng)?？諌簷C(jī)的自動(dòng)化程度低，空壓機(jī)的各個(gè)氣閥、冷卻系統(tǒng)的調(diào)節(jié)以及對(duì)于空壓機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)等都需要人為操控，這使得空壓機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生較大誤差以及諸多不便。同時(shí)，在天然氣加壓完成后，空壓機(jī)無(wú)法自行調(diào)速關(guān)閉，仍在自行運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生了極大的電力浪費(fèi)以及噪音污染。

所以為例解決這一問(wèn)題，本文將對(duì)PLC變頻調(diào)速在空壓機(jī)方面的運(yùn)用進(jìn)行研究，對(duì)原有的空壓機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，提高其自動(dòng)化水平以及工作效率從而達(dá)到節(jié)能減排降低成本的效果。

二、空壓機(jī)的運(yùn)行原理

X鋼鐵公司配備的OGFD系列的三臺(tái)空壓機(jī)( 1A、2A、3A)屬于活塞式空壓機(jī)?；钊娇諌簷C(jī)包括了氣缸、活塞、電機(jī)、進(jìn)氣孔排氣孔以及氣閥等主要部分，活塞式空壓機(jī)的工作原理其實(shí)與汽車(chē)氣缸的工作原理相似，氣缸內(nèi)活塞由電機(jī)帶動(dòng)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)行（稱(chēng)之為活塞運(yùn)動(dòng)）。活塞運(yùn)動(dòng)使得氣缸內(nèi)的氣體容積發(fā)生變化，對(duì)從進(jìn)氣孔放入的氣體進(jìn)行加壓。與排氣孔與氣閥相互配合，反復(fù)不斷的進(jìn)行氣體進(jìn)入、氣體壓縮、氣體排出著三個(gè)動(dòng)作，達(dá)到對(duì)于氣體的加壓以及二次加壓的效果，將二次加壓的氣體輸送到儲(chǔ)氣罐后進(jìn)行工業(yè)方面的使用[1]?？諌簷C(jī)將氣壓控制在0.7MPa左右就可以滿足X鋼鐵企業(yè)的冶煉生產(chǎn)，空壓機(jī)通過(guò)氣缸內(nèi)氣壓反饋機(jī)制以及壓力調(diào)解機(jī)制來(lái)控制氣缸內(nèi)氣壓的大小。當(dāng)壓力過(guò)大時(shí)通過(guò)開(kāi)啟減壓閥，將壓力控制在0.7MPa-1.25MPa范圍內(nèi)。當(dāng)全部氣體壓縮完成后，空壓機(jī)仍會(huì)保持運(yùn)行，在空載運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下電機(jī)的耗電量是正常運(yùn)轉(zhuǎn)下耗電量的50%左右，雖然此時(shí)耗電量相對(duì)較少，但是此時(shí)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)并不會(huì)產(chǎn)生任何價(jià)值，屬于嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。

三、PLC變頻調(diào)速的控制原理

變壓變頻調(diào)速是通過(guò)改變電壓來(lái)改變異步電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速的一種調(diào)速方法，在極對(duì)數(shù) np一定的情況下，同步轉(zhuǎn)速隨頻率變化 ，即 n1 =60f1/np[2]。PLC在變頻調(diào)速空壓機(jī)控制方面的運(yùn)用過(guò)程大致流程是：控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)于電機(jī)運(yùn)行時(shí)氣缸內(nèi)部壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的相關(guān)信息的接受以及對(duì)相關(guān)樣本進(jìn)行采樣，在對(duì)樣本進(jìn)行采樣、接受后進(jìn)行分析傳輸?shù)絇LC上，經(jīng)過(guò)和初始?jí)毫χ颠M(jìn)行對(duì)比，PLC發(fā)出變頻指令控制氣壓閥以及電機(jī)的運(yùn)行速度，來(lái)達(dá)到對(duì)空壓機(jī)的控制。初始?jí)毫π畔⒃O(shè)定為第一階段，在初始?jí)毫π畔⒃O(shè)定階段，給PLC控制系統(tǒng)一個(gè)初始?jí)毫π畔⑺鶎?duì)應(yīng)的電信號(hào)，這個(gè)初始的電信號(hào)是空壓機(jī)是否變頻調(diào)速的標(biāo)準(zhǔn)。樣本的采集為第二階段，記錄空壓機(jī)氣缸內(nèi)壓力的狀態(tài)，將此時(shí)的氣壓狀態(tài)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，儲(chǔ)存在對(duì)應(yīng)的I/O映像區(qū)中，形成最初的電信號(hào)樣本，控制系統(tǒng)通過(guò)不斷地測(cè)壓采取新樣本，新的樣本會(huì)更新原有新的數(shù)據(jù)。下一個(gè)階段是用戶程序執(zhí)行階段，在這個(gè)階段需要電腦將采集的樣本與初始?jí)毫π畔⑦M(jìn)行對(duì)比，觀察新的數(shù)據(jù)然后做出相應(yīng)的反應(yīng)，當(dāng)壓力過(guò)高或過(guò)低時(shí)時(shí)PLC發(fā)出指令通過(guò)變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的良好運(yùn)行。最后一個(gè)階段，就是輸出刷新階段了，控制系統(tǒng)根據(jù)指令做出相應(yīng)的工作程序，處理完成后會(huì)對(duì)氣缸內(nèi)氣壓狀態(tài)進(jìn)行新的反饋，達(dá)到監(jiān)控管理的效果。以上就是PLC控制系統(tǒng)在空壓機(jī)變頻調(diào)速中的基本工作原理。

四、PLC變頻調(diào)速空壓機(jī)控制的實(shí)例及節(jié)能性分析

（一）變頻調(diào)速空壓機(jī)實(shí)例分析

同樣以X鋼鐵公司的兩臺(tái)OGFD37型空壓機(jī)（1A、2A）為例。公司為了減少空壓機(jī)的能耗以及空壓機(jī)在啟動(dòng)時(shí)用電量過(guò)大而造成對(duì)電網(wǎng)的沖擊，對(duì)兩臺(tái)空壓機(jī)進(jìn)行了改造。專(zhuān)業(yè)人員經(jīng)過(guò)對(duì)空壓機(jī)最低啟動(dòng)頻率的測(cè)量，確定其最低啟動(dòng)頻率為25Hz（小于25Hz會(huì)對(duì)空壓機(jī)造成損害），電機(jī)以最低頻率啟動(dòng)緩慢帶動(dòng)風(fēng)壓機(jī)啟動(dòng)。將壓縮的天然氣輸送到儲(chǔ)氣罐，以?xún)?chǔ)氣罐為媒介將天然氣輸送到工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行使用。在前文變頻調(diào)控原理介紹中也提到了，會(huì)設(shè)定一個(gè)初始?jí)毫χ底鳛樽冾l的標(biāo)準(zhǔn)。以1A、2A兩臺(tái)空壓機(jī)的變頻調(diào)速運(yùn)行過(guò)程為例，首先1A空壓機(jī)開(kāi)始運(yùn)行，通過(guò)氣缸內(nèi)的壓力測(cè)量?jī)x反饋的壓力電信號(hào)進(jìn)行監(jiān)管和控制。當(dāng)測(cè)量的壓力值低于規(guī)定壓力時(shí)，PLC通過(guò)改變電流頻率加快電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，使1A達(dá)到工頻，隨后2A也開(kāi)始以最低啟動(dòng)頻率運(yùn)行，并不斷加快直至氣壓達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)檢測(cè)壓力超過(guò)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，通過(guò)變頻調(diào)控降低2A的運(yùn)行速度直至停止運(yùn)行；若氣壓仍高于標(biāo)準(zhǔn)，則降低1A的電機(jī)頻率（但不要降到最低運(yùn)行頻率以下），并通過(guò)減壓閥進(jìn)行調(diào)控。這樣就實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，從而減少了不必要能源浪費(fèi)[3]。其控制流程圖如圖 1 所示。

（二）空壓機(jī)變頻調(diào)節(jié)的節(jié)能分析

對(duì)X鋼鐵公司1A空壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行不同運(yùn)行方式下（變頻和工頻）耗能的對(duì)比。該系統(tǒng)包括兩臺(tái)37KW空壓機(jī)，對(duì)兩臺(tái)空壓機(jī)分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)如下。

表1 同功率空壓機(jī)采用不同運(yùn)行方式參數(shù)對(duì)比數(shù)據(jù)

由上面的圖表可以看出，兩臺(tái)同樣的37KW的空壓機(jī)，共同運(yùn)行了120小時(shí)，采用工頻運(yùn)行方式的空壓機(jī)用的電流為74A，其總用電量為5836度。而采用變頻運(yùn)行方式的空壓機(jī)所需電流為53A，總用電量為3269度，其節(jié)點(diǎn)量為2892度，用電節(jié)約度為47%，節(jié)約了大量的能耗。

五、總結(jié)

以X鋼鐵公司使用的空壓機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)比兩臺(tái)相同功率的空壓機(jī)在工頻和變頻兩種不同運(yùn)行方式下的耗電量，可以清晰的得出PLC變頻調(diào)速與空壓機(jī)的結(jié)合可以極大的降低能耗的結(jié)論。