煤礦空氣壓縮機變頻調速控制系統設計

李 哲

（山煤集團 煤業管理有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

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，而且可以在礦井下發生重大事故時為工作人員保駕護航［1］。但是，傳統空壓機主要采用人工操作或繼電器控制方式，由于煤礦井下復雜的環境，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［2］。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，提出一種新型的煤礦空壓機變頻調速系統。

1 空氣壓縮機變頻調速節能工作原理分析

空壓機是一種傳輸和壓縮氣體的機械設備，本質上是把異步電動機的軸動率轉化為流體的機械能［3］。假定煤礦上用風量恒定，實際中，空壓機輸出的空氣壓力正比于氣缸的運動頻率，而氣缸的運動頻率又正比于電動機轉速。交流異步電動機的轉速公式為：

其中：n為電機轉速；f為供電頻率；s為轉差率；p為極對數。

根據式（1）可知，要想改變空壓機電動機的轉速n，只有改變交流電動機的供電頻率f，為此引入了高壓變頻調速技術，通過高壓變頻調速技術改變電動機的供電頻率f，最終改變空壓機輸出的氣體壓力，使空壓機出口風壓保持恒定，達到節能的目的。

2 空壓機變頻調速控制系統總體方案設計

空壓機變頻調速控制系統整體方案如圖1所示。整個系統由地面監控單元、變頻調速控制單元、溫度預警單元三大部分組成。

圖1 空壓機變頻調速控制系統總體方案

其中，變頻調速控制單元是系統的核心部分，由變頻器、壓力變送器、PLC組成，可實時檢測供風出口的壓力參數并傳輸給PLC控制系統，經PLC控制系統分析處理后，通過智能調節變頻器的運行頻率改變電機的轉速，進而控制空壓機的工作狀態；地面監控單元主要負責對整個控制系統進行監控和統一調度，單臺空壓機硬件系統與上位機之間通過RS485轉以太網的方式進行通信；溫度預警單元主要用于檢測排氣溫度，若超出溫度閾值范圍，系統將進行預警并開啟保護功能。

3 單臺空氣壓縮機硬件系統選型與設計

3.1 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［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［5］，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。

3.2 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。煤礦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250 kW，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［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HXT61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。

3.4 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。

4 軟件設計

4.1 下位機程序設計

下位機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行編程，該圖形語言簡單直觀、易于學習，適用于具有數字方式的邏輯操控場合［7］。

為減少程序設計工作量，便于后期調試及維護，采用結構化方式進行編程，將整個系統的功能劃分為多個子程序模塊，在主程序中設定好系統邏輯功能，然后統一由主程序進行調用，實現功能需求。本系統設計的程序包括主程序、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 上位機監控軟件設計

為實現對煤礦空壓機組的遠程監控，該系統采用組態王軟件開發了一個上位機監控系統。組態王軟件是新型的工業現場集控軟件，具有開發快速、擴展性強、開放和適應性強等優勢［8］。通過該軟件，將控制系統劃分為管理、監測和控制三層，不僅實現對現場的監測，還能實現遠程控制的功能。軟件同時為工作人員提供了友好的圖像監控功能，具備表格、圖形圖像和曲線等交互模式，方便工作人員實時監控現場。本系統的計算機監控軟件界面分為主界面、歷史界面、報警和報表界面等，這些界面都通過以太網分別連接著井上井下的各個PLC控制系統，圖3為監控軟件人機界面結構框圖。

圖3 監控軟件人機界面結構框圖

5 結論

本文基于傳統空壓機控制系統，引入了高壓變頻調速技術、傳感器檢測技術、計算機技術，提出一種新型的空壓機變頻調速控制系統。該系統可以根據煤礦排氣口風壓的變化通過變頻器自動調節空壓機的運行狀態，具有高低壓、過溫預警功能，并且可以實現對空壓機組的遠程監控。經現場調試和運行表明：該系統能夠自動控制供氣過程，實現了機組恒壓供氣，有效降低了能耗；監控軟件功能可靠齊全，人機界面友好，具有一定的實用性和社會推廣價值。