煤礦空氣壓縮機變頻控制系統的設計

黃 靖

（西山煤電集團東曲煤礦供應科， 山西 太原 030200）

引言

煤礦空氣壓縮機為井下機械設備以及風動設備提供壓力氣體作為動力，為了保障井下設備運行正常，煤礦空氣壓縮機需要持續運行以保持風包壓力趨于穩定值，因此空氣壓縮機的運行狀況與煤礦生產進程以及生產安全密切相關[1-2]。在實際生產過程中，為保證生產正常進行空氣壓縮機長時間運行，但鑿巖機、風鉆等設備的動力需要卻是不斷變化的，頻繁功率調整造成了空氣壓縮機能耗較大，對電網有一定沖擊，同時長時間運行造成故障率較高影響設備壽命以及可靠性，給企業造成了較大的經濟損失[3-4]。本文針對這一現狀，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，降低設備能耗水平，減低故障率，提高設備可靠性、安全性以及經濟性。

1 總體方案簡介

空氣壓縮機在煤礦企業中應用廣泛，而目前煤礦空氣壓縮機控制主要是通過設置儲氣最大壓力值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，當壓力低于系統設定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，進氣閥關閉，同時空壓機開始低負荷運行。變頻調速技術則利用變頻器對空氣壓縮機的交流供電頻率進行變換，達到調整電機轉速的目的，由此可以改變空氣壓縮機的功率，實現負荷快速平穩變換，減少對電網的沖擊，降低機械沖擊，節省能耗，降低運行成本。系統整體結構連接如圖1 所示。

圖1 系統的整體結構

2 系統的整體設計

煤礦空氣壓縮機為煤礦井下設備提供必要動力，而工礦企業對生產安全以及系統可靠性要求較高。本文在綜合考慮了應用環境以及開發成本在內的多方面因素，決定在原有設備的基礎上進行變頻調速改造。選用在工業控制中應用廣泛的PLC 作為控制器，并結合變頻器實現對空氣壓縮機電動機的變頻調速控制。

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

圖2 變頻器結構原理圖

2.1 系統硬件的選型

系統由空氣壓縮機、管道、PLC、變頻器、工控機、傳感器、通信網絡等共同組成。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 結構緊湊，功能強大穩定，能夠滿足系統對功能性以及可靠性的要求。變頻器選用ABB 公司設計生產的新一代ACS800 型號，采用直接轉矩控制（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 變頻調速控制系統的設計

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由空氣過濾器進入壓縮機內部，由空氣壓縮機交流電動機驅動壓縮螺桿旋轉實現空氣體積壓縮，在此過程中系統會往壓縮氣缸內噴入冷卻潤滑油，達到一定壓力的油氣混合物經過油氣分離裝置實現分離，冷卻潤滑油可經處理后循環再利用，壓力氣體則經過冷卻處理降溫后進入儲氣罐或者供氣管道。系統控制原理如圖3 所示。

圖3 系統控制原理圖

為了保證系統的安全可靠，同時方便人機交互，利用工控機對空氣壓縮機系統工作情況進行監測控制。監控包括對控制過程以及設備運行狀態的監測與預警。監測過程主要通過傳感器檢測設備測點的溫度和電流等相應參數，經過A/D 轉換、數據預處理，傳輸給控制器處理程序，監測模塊判斷設備的工作情況，據此執行不同操作，并完成可視化工作。

3 系統網絡通信

系統以PLC 作為空氣壓縮機自動化控制系統的核心，結合變頻器共同完成控制操作。網絡通信主要利用工業現場總線實現設備之間連接與通訊。S7-200 與ACS800 通過PROFIBUS-DP 通訊協議實現連接通信。監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 軟件程序進行數據預處理、轉換運算，判斷設備運行正常與否，異常情況下會啟動報警裝置。上位機則通過TCP/IP 通信協議實現與PLC 的以太網連接通訊。

4 系統軟件程序的設計

煤礦空氣壓縮機的變頻控制離不開軟件程序，由于系統選用西門子S7-200 PLC，所以選用西門子公司專門針對S7-200 系列PLC 設計開發的工業化編程工具STEP7-Micro/WIN，用以完成對軟件程序的設計創建以及修改測試。該工具簡單易學、可較快為工程技術人員掌握，適用S7-200 系列所有產品的軟件編程，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成本以及周期的情況下，選用了工程技術人員較容易掌握的LAD 語言進行程序設計編程。根據系統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試和測試，對使用過程軟件程序的運行狀態、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KingView 軟件實現了監控系統的組態，進行設備的連接、通訊協議選擇、監測界面的設計、數據庫的構建，并完成了系統的調試與測試。系統監測模塊程序流程圖如圖4 所示。

圖4 監測模塊程序軟件流程圖

5 結語

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