黃 靖

（西山煤電集團東曲煤礦供應(yīng)科， 山西 太原 030200）

引言

煤礦空氣壓縮機為井下機械設(shè)備以及風動設(shè)備提供壓力氣體作為動力，為了保障井下設(shè)備運行正常，煤礦空氣壓縮機需要持續(xù)運行以保持風包壓力趨于穩(wěn)定值，因此空氣壓縮機的運行狀況與煤礦生產(chǎn)進程以及生產(chǎn)安全密切相關(guān)[1-2]。在實際生產(chǎn)過程中，為保證生產(chǎn)正常進行空氣壓縮機長時間運行，但鑿巖機、風鉆等設(shè)備的動力需要卻是不斷變化的，頻繁功率調(diào)整造成了空氣壓縮機能耗較大，對電網(wǎng)有一定沖擊，同時長時間運行造成故障率較高影響設(shè)備壽命以及可靠性，給企業(yè)造成了較大的經(jīng)濟損失[3-4]。本文針對這一現(xiàn)狀，提出針對礦用空氣壓縮機的變頻控制改造，利用變頻器與PLC 的配合實現(xiàn)對空氣壓縮機的安全高效控制，在保證風包壓力正常的情況下，降低設(shè)備能耗水平，減低故障率，提高設(shè)備可靠性、安全性以及經(jīng)濟性。

1 總體方案簡介

空氣壓縮機在煤礦企業(yè)中應(yīng)用廣泛，而目前煤礦空氣壓縮機控制主要是通過設(shè)置儲氣最大壓力值Pmax與最小壓力值Pmin，利用進氣閥門控制使得儲氣罐壓力保障在Pmax與Pmin范圍之間，當壓力低于系統(tǒng)設(shè)定Pmin值時，進氣閥打開，空氣壓縮機開始滿負荷運行，當壓力高于Pmax時，進氣閥關(guān)閉，同時空壓機開始低負荷運行。變頻調(diào)速技術(shù)則利用變頻器對空氣壓縮機的交流供電頻率進行變換，達到調(diào)整電機轉(zhuǎn)速的目的，由此可以改變空氣壓縮機的功率，實現(xiàn)負荷快速平穩(wěn)變換，減少對電網(wǎng)的沖擊，降低機械沖擊，節(jié)省能耗，降低運行成本。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)連接如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)的整體設(shè)計

煤礦空氣壓縮機為煤礦井下設(shè)備提供必要動力，而工礦企業(yè)對生產(chǎn)安全以及系統(tǒng)可靠性要求較高。本文在綜合考慮了應(yīng)用環(huán)境以及開發(fā)成本在內(nèi)的多方面因素，決定在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上進行變頻調(diào)速改造。選用在工業(yè)控制中應(yīng)用廣泛的PLC 作為控制器，并結(jié)合變頻器實現(xiàn)對空氣壓縮機電動機的變頻調(diào)速控制。

變頻器利用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)對電機的工作電源頻率進行電壓、頻率變換實現(xiàn)對電機的控制，主要結(jié)構(gòu)包括整流器、逆變器、濾波器、制動單元、驅(qū)動單元、檢測裝置以及微處理器[5-6]。變頻器的工作原理依據(jù)是電機的轉(zhuǎn)速n與電源輸入頻率f存在n=的關(guān)系，其中p為電機磁極的對數(shù)，s為電機的轉(zhuǎn)差率，由此不難發(fā)現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速與供電的頻率存在正比關(guān)系，可以通過變頻器調(diào)整空氣壓縮機電動機工作交流電源來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的控制[7-8]。而空氣壓縮機電機轉(zhuǎn)速n與空壓機功率p的一般關(guān)系為其中T為空氣壓縮機轉(zhuǎn)矩，空氣壓縮機目的在于保障壓力平衡，一般為恒轉(zhuǎn)矩負載，因此可以通過變頻調(diào)速控制實現(xiàn)對礦用空氣壓縮機的功率控制節(jié)能改造。變頻器結(jié)構(gòu)原理如圖2 所示。

圖2 變頻器結(jié)構(gòu)原理圖

2.1 系統(tǒng)硬件的選型

系統(tǒng)由空氣壓縮機、管道、PLC、變頻器、工控機、傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)等共同組成。其中PLC 選用西門子公司SIMATIC S7-200 系列小型PLC，選擇CPU224 型號，該型號PLC 結(jié)構(gòu)緊湊，功能強大穩(wěn)定，能夠滿足系統(tǒng)對功能性以及可靠性的要求。變頻器選用ABB 公司設(shè)計生產(chǎn)的新一代ACS800 型號，采用直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC），是目前比較先進的交流異步電機控制方式，可安裝自定義模塊，具有顯著的安全可靠性能。

2.2 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計

煤礦空氣壓縮機一般布置在煤礦地面，工作過程中外界空氣經(jīng)由空氣過濾器進入壓縮機內(nèi)部，由空氣壓縮機交流電動機驅(qū)動壓縮螺桿旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)空氣體積壓縮，在此過程中系統(tǒng)會往壓縮氣缸內(nèi)噴入冷卻潤滑油，達到一定壓力的油氣混合物經(jīng)過油氣分離裝置實現(xiàn)分離，冷卻潤滑油可經(jīng)處理后循環(huán)再利用，壓力氣體則經(jīng)過冷卻處理降溫后進入儲氣罐或者供氣管道。系統(tǒng)控制原理如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)控制原理圖

為了保證系統(tǒng)的安全可靠，同時方便人機交互，利用工控機對空氣壓縮機系統(tǒng)工作情況進行監(jiān)測控制。監(jiān)控包括對控制過程以及設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測與預(yù)警。監(jiān)測過程主要通過傳感器檢測設(shè)備測點的溫度和電流等相應(yīng)參數(shù)，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)預(yù)處理，傳輸給控制器處理程序，監(jiān)測模塊判斷設(shè)備的工作情況，據(jù)此執(zhí)行不同操作，并完成可視化工作。

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信

系統(tǒng)以PLC 作為空氣壓縮機自動化控制系統(tǒng)的核心，結(jié)合變頻器共同完成控制操作。網(wǎng)絡(luò)通信主要利用工業(yè)現(xiàn)場總線實現(xiàn)設(shè)備之間連接與通訊。S7-200 與ACS800 通過PROFIBUS-DP 通訊協(xié)議實現(xiàn)連接通信。監(jiān)測模塊對模擬量信號進行檢測、采集，由通訊擴展模塊送至PLC 軟件程序進行數(shù)據(jù)預(yù)處理、轉(zhuǎn)換運算，判斷設(shè)備運行正常與否，異常情況下會啟動報警裝置。上位機則通過TCP/IP 通信協(xié)議實現(xiàn)與PLC 的以太網(wǎng)連接通訊。

4 系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計

煤礦空氣壓縮機的變頻控制離不開軟件程序，由于系統(tǒng)選用西門子S7-200 PLC，所以選用西門子公司專門針對S7-200 系列PLC 設(shè)計開發(fā)的工業(yè)化編程工具STEP7-Micro/WIN，用以完成對軟件程序的設(shè)計創(chuàng)建以及修改測試。該工具簡單易學、可較快為工程技術(shù)人員掌握，適用S7-200 系列所有產(chǎn)品的軟件編程，支持LAD、FBD 以及IL 三種編程語言，而且可以互相切換。本文在綜合考慮了開發(fā)成本以及周期的情況下，選用了工程技術(shù)人員較容易掌握的LAD 語言進行程序設(shè)計編程。根據(jù)系統(tǒng)實際需求對軟件流程進行了編寫，并且利用STEP7- Micro/WIN完成了對程序編寫, 利用其中軟件工具對程序進行了必要的調(diào)試和測試，對使用過程軟件程序的運行狀態(tài)、程序掃描情況進行了驗證測試。針對工控機的編程則利用國產(chǎn)KingView 軟件實現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)，進行設(shè)備的連接、通訊協(xié)議選擇、監(jiān)測界面的設(shè)計、數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，并完成了系統(tǒng)的調(diào)試與測試。系統(tǒng)監(jiān)測模塊程序流程圖如圖4 所示。

圖4 監(jiān)測模塊程序軟件流程圖

5 結(jié)語

本文設(shè)計的一套主要針對煤礦空氣壓縮機的變頻控制系統(tǒng)，通過PLC 搭配變頻器實現(xiàn)對空壓機的節(jié)能高效控制，能夠有效降低空氣壓縮機在工作過程中的能耗，減少設(shè)備頻繁功率調(diào)整對電網(wǎng)的沖擊，同時實現(xiàn)準確控制有效延緩設(shè)備壽命，保障空氣壓縮機工作的安全性、可靠性以及穩(wěn)定性，應(yīng)用前景廣闊。