空壓機變頻調速控制系統的設計

欒紹慧，朱進良，張杰琨

（山東黃金股份有限公司新城金礦，山東 萊州 261400）

空氣壓縮機簡稱空壓機，是一種用來壓縮氣體或傳輸氣體的機械設備，在金屬礦山上具有非常重要的作用，不但可以保障金屬礦山的正常作業，而且可以在礦井下發生重大事故時為工作人員保駕護航。但是，傳統空壓機主要采用人工操作或繼電器控制方式，由于金屬礦山復雜的環境，需要空壓機全天不間斷運行，使得空壓機長期處于空載或輕載情況，導致供氣壓力不穩定，增大了系統能耗。改變空壓機控制方式，降低能耗，提高其自動化水平已經是大勢所趨。為此，本文將高壓變頻技術引入了空壓機控制系統中，取代原有工作方式，并結合傳感器檢測技術、計算機技術對其進行改造，提出一種新型的金屬礦山空壓機變頻調速系統。

1 空壓機的概述

1.1 空壓機的分類

根據空壓機的工作原理可將其分為容積式空壓機和速度式空壓機。其中，容積式空壓機是將空氣壓縮后使其氣體的動能得到增加，而后將空氣動能轉換為壓力能；容積式空壓機包括有往復式和旋轉式。速度式空壓機通過渦輪旋轉使得空氣獲得較大的動能，進而使氣體的動能變成勢能；速度式空壓機包括有離心式、軸流式等。

本文所研究的空壓機類型為螺桿式空壓機，屬于容積式空壓機的一種。該空壓機具有可靠性高、維修方便、適應性強等優勢。但是，螺桿式空壓機在工作時噪聲較大，且其工作時需各種輔助設備進行配合，導致螺桿式空壓機的體積較大。

1.2 空壓機在應用中存在的問題

空氣進入系統需經過濾器消除其中的雜質和灰塵，經過濾的空氣與潤滑油混合后進入壓縮主機，而后被壓縮的混合氣體經兩次油氣分離后待其被壓縮到0.45MPa 時，最小壓力閥被打開，流入冷卻器中等待使用。

（1）由于空壓機控制系統的滯后性導致其在加載階段會消耗大量的電能；卸載時，空壓機自動打開卸荷閥使得電機空轉，期間未向工作面輸送壓力，造成能量的浪費。經統計，空載時能耗約為滿載狀態時的40%左右。

（2）空壓機啟動時瞬時大電流會對電網造成沖擊，從而影響整個工作面設備運行的安全性。

（3）當前空壓機控制系統主要依靠機械部件對其壓力進行控制，存在控制滯后性大、壓力波動較大，使得系統輸出的壓力不穩定。

2 系統硬件構成分析

所設計的基于變頻工藝的空壓機調速系統主要硬件構成為：PLC 控制器型號為EPEC6100，該型號設備具備數量豐富的數模轉換接口且能夠支持CAN、CanOpen 等多種通訊協議，可有效滿足井下生產需求；變頻裝置采用羅濱康系列，其能夠進行四象限運轉，可支持轉速/轉矩或V/f（電壓/頻率）等不同控制模式，作業穩定電壓為6kV，功率為370kW；空壓機采用型號為ML300-2S 的螺桿式空壓機，壓力傳感裝置采用型號為GYZ2的礦井本質安全型感應裝置，作業電流介于4mA ～22mA 之間，量程值最大不超過1MPa。

3 軟件設計分析

3.1 主程序分析

作業時，在設備通電后，系統先進行初始化操作，主要是將運行需使用變量和新開辟存儲空間進行初始化。同時，通過系統通訊程序進行變頻裝置與PLC 裝置間的聯系，也只有完成兩者的通訊聯系，才能實現PLC 控制器對空壓機的操控。而為了確保通訊的有效性和穩定性，應當通過心跳機制對通訊運行有效性進行實時監測。此外，在變頻控制過程中，應當在一個空壓機運行頻率達到上限后立即開啟下一個空壓機，并對其運行頻率進行實時操控，從而實現對其速度的有效調整，確保儲氣管道壓力能夠始終在安全范圍內。而在空壓機運行過程中，一旦監測到系統存在故障隱患，則會立即發出停機指令，并發出預警信號，提醒作業人員及時處理故障。

3.2 變頻裝置控制子程序分析

作業時，先啟動第一組變頻-空壓機組，初始變頻器運行頻率為0Hz，壓力監測裝置監測到該數值，判定其未達到規定數值，便會增加變頻裝置作業頻率，進而加快空壓機運行頻率，使得儲氣管道壓力逐漸增加。而當變頻裝置運行頻率達到閾值后，則會操控相應空壓機保持工頻運行，繼而啟動下一個變頻-空壓機組。當儲氣管道壓力達到規定數值后，變頻裝置會逐漸降低運行頻率，直至小于下限后停止空壓機運行，同時對其自身進行復位。此外，當PLC 裝置發現變頻裝置運行中存在故障時，會馬上進行相應操作，避免故障擴大。

3.3 通訊子程序分析

對于空壓機調速系統而言，CanOpen 通訊協議的功能主要是完成變頻裝置與PLC 控制器之間的數據傳輸和指令傳遞。該通訊連接的構建嚴格按照相關規定執行，首先構建四組TPDO1 ～TPDO4數據對象，接著建立MNT-Error-Control連接，而在構建相關連接的同時需同步完成通訊端口、通訊ID、波特率、操作模式等不同作業參數的設置。在通訊子程序運行過程中，為了確保數據傳輸的真實、有效，在對CanOpen 通訊數據進行打包或解析操作時，必須嚴格注意字節序的問題，確保一個CanOpen 通訊數據中8 個字節數據存放位置的正確性。這是因為在數據存儲上，存在將高字節數據存放在高位或存放在低位兩種可能性。例如：一段CanOpen 通訊數據為0x3120，那么，在存儲時可能存在類似0x31、0x20 的存儲形式，也可能存在類似0x20、0x31 的存儲形式，必須對其進行嚴格把控，方能確保數據傳輸的有效性。除此之外，系統還必須對CanOpen 通訊連接的有效性進行實時監測，一旦出現3 次無法有效建立的情況，則表明通訊發生故障，需立即進行維修。

4 單臺空氣壓縮機硬件系統選型與設計

4.1 PLC 控制系統選型

PLC 控制系統需要同時對模擬量和數字量進行處理，根據本系統所要處理的參數數量需求，選用西門子S7-200 系列PLC。中央數據處理單元采用CPU226 模塊，該模塊運行速度快，可擴展性強，擁有數字輸入24 路、數字輸出16 路，完全能夠滿足空壓機控制系統的輸出控制以及監視輸入信號的功能。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。為增強輸入信號的抗干擾能力，采用差分和隔離式，同時該模塊分辨率為12 位，模數轉換速率為5μA，測試精度上完全能夠滿足控制系統對空壓機排氣壓力和溫度的檢測需求。

4.2 變頻控制系統選型與設計

本文將高壓變頻調速技術引入了空壓機控制系統中，將壓力變送器采集到的壓力信號作為反饋信息，通過PLC 實現變頻器以PID 控制方式調節空氣壓縮機恒壓供氣運行，同時達到節能降耗的目標。金屬礦山上一般使用螺桿式空氣壓縮機進行工作，其基本參數為額定電壓380V，額定電流440A，頻率50Hz，功率220kW。基于此，選用丹弗斯變頻器VLT6000，額定功率為250kW，并采用“一拖多”運行方式，該變頻器適用于空氣壓縮機這種重載啟動的裝置，安全可靠性高，易于控制。

為避免短路或過載現象對變頻器造成損壞，采用RS3 系列熔斷器作為短路保護。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50Hz，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。

4.3 壓力變送器選型

壓力變送器主要用于檢測排氣口的風壓大小，以模擬量的形式輸入到PLC 控制系統中，為PLC 智能調節變頻器頻率提供一個反饋信息，最終使空壓機輸出的風壓信號變為可調。根據該系統的設計需求，選用HX-T61 擴散硅壓力變送器，該壓力變送器是一種本質安全型防爆變送器，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境條件。

4.4 溫度變送器選型

溫度變送器主要用于檢測空壓機的排氣溫度值，一旦該溫度值超過設定值，則啟動報警功能，若發生嚴重超溫狀態，則關閉系統開啟保護功能。井下空壓機與井上空壓機對于報警閾值的要求不同。本系統選用RWB 型溫度變送器進行溫度檢測，該型號變送器由溫度傳感器、信號轉換放大模塊組成，可與顯示設備以及其他控制設備配套使用，內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，然后進行穩壓濾波、運算放大，再經非線性校正電路校正，轉換成與溫度成線性關系的4mA ～20mA 標準電流信號輸出。

5 結論

空壓機作為金屬礦山生產中部分生產設備有效運轉的關鍵保障，確保其運行的持續、穩定、有效，對礦井生產的高效開展意義重大。特別是實現對其運行功率的智能調控，不僅可以降低能耗，還可以減少設備磨損，延長使用周期，對礦井綜合效益提升具有重要意義。有鑒于此，礦井管理者必須高度重視相關問題，在生產實踐中積極引進先進技術手段，開展空壓機運行的優化改良，在確保作業有效性的同時實現設備性能的提升，為礦井現代化發展提供助力。