S7—200PLC在煤礦空壓機(jī)變頻控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：針對(duì)煤礦空壓機(jī)系統(tǒng)常規(guī)控制方案中存在噪聲大、壓力波動(dòng)大、電能風(fēng)能損耗多、自動(dòng)化調(diào)控性能差等問題，采用先進(jìn)調(diào)控策略進(jìn)行節(jié)能升級(jí)改造尤為重要。基于PLC+變頻器的恒壓變頻調(diào)控方案，能夠根據(jù)系統(tǒng)所需風(fēng)量經(jīng)變頻器PID實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)電機(jī)輸入電源頻率，實(shí)現(xiàn)煤礦空壓機(jī)組的高精度、高可靠性的恒壓供氣運(yùn)行，有效提高了空壓機(jī)系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化水平，且具有非常可觀的節(jié)能降耗效果，系統(tǒng)升級(jí)改造應(yīng)用效果整體較好。

關(guān)鍵詞：煤礦；恒壓供氣；變頻調(diào)速；PLC

空壓機(jī)作為煤礦企業(yè)重要的提供壓縮空氣的動(dòng)力能源設(shè)備，為煤炭開采、傳輸、轉(zhuǎn)運(yùn)等過程中的所有氣動(dòng)元件提供必要的動(dòng)力氣源。由于受傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念、技改水平和技改資金等因素的制約，目前尚有較多的煤礦企業(yè)沒有針對(duì)空壓機(jī)系統(tǒng)實(shí)施自動(dòng)化升級(jí)改造。空壓機(jī)作為常年運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備，其常規(guī)的繼電器直接控制方式存在啟動(dòng)電流大、運(yùn)行效率低、電能風(fēng)能等資源浪費(fèi)嚴(yán)重、自動(dòng)化調(diào)控性能差、供氣可靠性低等問題，直接影響到企業(yè)的正常高效生產(chǎn)[1]。因此，針對(duì)煤礦企業(yè)空壓機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)存的問題，經(jīng)過深入研究和探討，對(duì)原控制系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能升級(jí)改造，具有非常重要的意義。

1 傳統(tǒng)繼電器控制方式現(xiàn)存主要問題

在煤炭生產(chǎn)過程中，需氣量會(huì)受到生產(chǎn)節(jié)奏的影響，當(dāng)處于用氣量少運(yùn)行工況時(shí)，空壓機(jī)電機(jī)長(zhǎng)期處于非滿負(fù)荷甚至是空載運(yùn)行條件下，供氣管網(wǎng)中的氣壓就會(huì)不斷增加，當(dāng)達(dá)到系統(tǒng)氣壓上限時(shí)泄壓閥就會(huì)自動(dòng)打開，造成大量電能和風(fēng)能資源浪費(fèi)[2]。如：某煤礦企業(yè)的1臺(tái)功率為160kW的空壓機(jī)，其額定電流為300A，空壓機(jī)在加載工況下其運(yùn)行電流為240A，而在空載運(yùn)行工況下其運(yùn)行電流為108A，此時(shí)電機(jī)功率因素直接降到0.4左右，空載工況下的能源消耗約占滿載能耗的55%，這就嚴(yán)重影響煤礦供配電系統(tǒng)的供電電能質(zhì)量，同時(shí)還造成大量的電能資源浪費(fèi)。傳統(tǒng)空壓機(jī)其控制方式通常采用Y-△降壓?jiǎn)?dòng)，啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流是額定電流的幾倍甚至十幾倍，巨大沖擊電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，嚴(yán)重影響供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定。

2 基于PLC+變頻器的恒壓變頻節(jié)能控制系統(tǒng)方案

按照“供需平衡動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)”節(jié)能理念組建調(diào)控系統(tǒng)，改善系統(tǒng)調(diào)控性能，有效提高煤礦空壓機(jī)組的整體運(yùn)行安全性、可靠性和節(jié)能經(jīng)濟(jì)性，提高煤炭生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本，具有很強(qiáng)的工程實(shí)踐應(yīng)用研究?jī)r(jià)值。

2.1 恒壓變頻節(jié)能調(diào)控系統(tǒng)邏輯組成

根據(jù)煤礦企業(yè)3臺(tái)空壓系統(tǒng)技術(shù)升級(jí)改造要求，通過安裝在主管道上的壓力傳感器和壓力變送器，將整個(gè)供氣系統(tǒng)中的氣體壓力轉(zhuǎn)換成變頻器功能模塊能夠識(shí)別的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)通信信號(hào)電纜傳輸?shù)阶冾l器單元的信號(hào)輸入端口，與系統(tǒng)原設(shè)定的壓力信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比分析，并經(jīng)PID調(diào)節(jié)功能形成對(duì)應(yīng)的調(diào)控決策，控制變頻器的電源輸出頻率，直接作用在電機(jī)上通過控制空壓機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速來達(dá)到“供需快速響應(yīng)和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)”的目的。PLC通過檢測(cè)變頻器調(diào)控狀態(tài)，以判斷系統(tǒng)所需啟動(dòng)的空壓機(jī)臺(tái)數(shù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)空壓機(jī)系統(tǒng)在變頻、工頻等工況下的智能自動(dòng)切換，完成整個(gè)煤礦供氣系統(tǒng)壓力恒定的動(dòng)態(tài)反饋閉環(huán)控制。采用PLC作為主要控制單元、變頻器作為主要數(shù)據(jù)處理和電源調(diào)頻機(jī)構(gòu)，組建1拖3的恒壓變頻節(jié)能調(diào)控系統(tǒng)，如圖1所示。

2.2 主要硬件設(shè)備選型

在煤礦空壓機(jī)系統(tǒng)技術(shù)升級(jí)改造中，優(yōu)選控制性能較優(yōu)越的西門子S7-200可編程序控制器（CPU226），其輸入輸出I/O接點(diǎn)數(shù)為24輸入點(diǎn)和16輸出點(diǎn)。配套選用西門子變頻器MM420系列，具備過電壓/欠電壓保護(hù)、短路保護(hù)、電動(dòng)機(jī)過熱保護(hù)、電動(dòng)機(jī)保護(hù)等保護(hù)功能。為了實(shí)現(xiàn)空壓系統(tǒng)溫度過高保護(hù)、壓力過高保護(hù)等控制保護(hù)功能，采用EM231型模擬模塊和EM222型數(shù)字量模塊作為PLC控制器的擴(kuò)展功能模塊，以完善空壓機(jī)系統(tǒng)的變頻調(diào)速控制功能。MM420系列變頻器與主干管道處的壓力傳感器、變送器等測(cè)控單元組成一個(gè)氣體壓力“測(cè)量→反饋→修正調(diào)節(jié)→測(cè)量→”的閉環(huán)控制，通過變頻器內(nèi)部PID形成對(duì)應(yīng)的調(diào)控策略，通過輸出與實(shí)際需風(fēng)量相匹配的電源頻率，來動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)空壓機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速，確保整個(gè)空壓機(jī)系統(tǒng)長(zhǎng)期處于最優(yōu)工況，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2.3 空壓機(jī)變頻-工頻節(jié)能順序調(diào)控策略

空壓機(jī)系統(tǒng)在完成各項(xiàng)啟動(dòng)準(zhǔn)備工作后，通過按下PLC啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)系統(tǒng)。1#空壓機(jī)先按照變頻運(yùn)行工況，轉(zhuǎn)速?gòu)牧悴粩嗌仙暨_(dá)到空壓機(jī)電源最大頻率（48Hz），延時(shí)10ms后還未達(dá)到系統(tǒng)所需氣體壓力時(shí)，則將1#空壓機(jī)自動(dòng)切換到工頻運(yùn)行工況，同時(shí)啟動(dòng)2#空壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入變頻運(yùn)行工況，若2#空壓機(jī)達(dá)到電源頻率上限，延時(shí)10ms后還未達(dá)到系統(tǒng)氣壓要求時(shí)，則將2#空壓機(jī)切換至工頻運(yùn)行工況，同時(shí)啟動(dòng)3#空壓機(jī)進(jìn)入變頻運(yùn)行工況。相應(yīng)如果系統(tǒng)壓力過大，則先自動(dòng)停止1#空壓機(jī)，然后停止2#空壓機(jī)。如空壓機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，出現(xiàn)故障報(bào)警、跳閘保護(hù)等，整個(gè)恒壓變頻調(diào)速系統(tǒng)將通過聲、光等信號(hào)，提示相應(yīng)的工作人員及時(shí)進(jìn)行故障排查及處理，確保系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。

3 煤礦空壓機(jī)系統(tǒng)技術(shù)升級(jí)改造應(yīng)用效果分析

煤礦3臺(tái)空壓機(jī)組組成的供氣系統(tǒng)，在采用基于PLC+變頻器的恒壓變頻調(diào)速控制方案進(jìn)行技術(shù)升級(jí)改造后，取得較好的應(yīng)用效果，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）空壓機(jī)系統(tǒng)供氣壓力得到有效保證，壓力波動(dòng)較小，恒定穩(wěn)定性高。恒壓變頻調(diào)速節(jié)能改造后，供氣主干網(wǎng)壓力始終保持穩(wěn)定范圍，其壓力波動(dòng)范圍能夠有效控制在±0.02MPa，供氣可靠性高，確保煤礦開采各種氣動(dòng)元件性能的正常發(fā)揮。

（2）具有非常明顯的節(jié)能降耗效果。經(jīng)過節(jié)能升級(jí)改造后，空壓機(jī)電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行在最優(yōu)工況，啟動(dòng)電流較小，減小了對(duì)煤礦供配電系統(tǒng)的沖擊；發(fā)熱量大大降低，延長(zhǎng)了空壓機(jī)電機(jī)的綜合使用壽命；降低了電能及風(fēng)能浪費(fèi)，通過合理的變頻調(diào)控運(yùn)行，確保整個(gè)空壓機(jī)系統(tǒng)“按需”自動(dòng)調(diào)節(jié)，經(jīng)過3個(gè)月的用電統(tǒng)計(jì)分析，其綜合節(jié)電率可以達(dá)到55%，節(jié)電效果相當(dāng)可觀。

（3）空壓機(jī)系統(tǒng)綜合自動(dòng)化水平大大提高。由于采用集成自動(dòng)化功能優(yōu)越的PLC和變頻器，利用其自動(dòng)調(diào)控及較強(qiáng)抗干擾和自我調(diào)節(jié)功能，可以有效提高系統(tǒng)調(diào)控自動(dòng)化性能，操控簡(jiǎn)單、靈活方便，能夠有效減輕操控人員工作強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

[1]王強(qiáng)，李齊權(quán).變頻技術(shù)在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].節(jié)能技術(shù)，2009，27（1）：87-88.

[2]金沙，耿驚濤.PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

作者簡(jiǎn)介：毛林（1984-），男，漢族，寶雞人，本科，助理講師，主要從事機(jī)電一體化項(xiàng)目的研究與教學(xué)，參加內(nèi)蒙古自治區(qū)精品課程-西門子PLC應(yīng)用技術(shù)的建設(shè)工作，為主要成員。近年來對(duì)工業(yè)控制領(lǐng)域有一定的了解與研究，并作出了深刻的見解。