礦用壓縮機(jī)變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：空氣壓縮機(jī)是礦山井下機(jī)械設(shè)備及風(fēng)動(dòng)設(shè)備的動(dòng)力源，為保障井下設(shè)備的可靠運(yùn)行，需要壓縮機(jī)持續(xù)運(yùn)行，保持壓力穩(wěn)定。當(dāng)前空氣壓縮機(jī)運(yùn)行中普遍存在能耗高的問題。為解決這一問題，決定對空氣壓縮機(jī)進(jìn)行變頻改造，以降低能耗、提高其可靠性的目的。本文從方案、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：礦山;空氣壓縮機(jī);變頻;控制

1 方案概述

空氣壓縮機(jī)在礦山企業(yè)中應(yīng)用廣泛，而目前礦山空氣壓縮機(jī)控制主要是通過設(shè)置儲(chǔ)氣最大壓力值Pmax與最小壓力值Pmin，利用進(jìn)氣閥門控制使得儲(chǔ)氣罐壓力保障在Pmax與Pmin范圍之間，當(dāng)壓力低于系統(tǒng)設(shè)定Pmin值時(shí)，進(jìn)氣閥打開，空氣壓縮機(jī)開始滿負(fù)荷運(yùn)行，當(dāng)壓力高于Pmax時(shí)，進(jìn)氣閥關(guān)閉，同時(shí)空壓機(jī)開始低負(fù)荷運(yùn)行。變頻調(diào)速技術(shù)則利用變頻器對空氣壓縮機(jī)的交流供電頻率進(jìn)行變換，達(dá)到調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，由此可以改變空氣壓縮機(jī)的功率，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷快速平穩(wěn)變換，減少對電網(wǎng)的沖擊，降低機(jī)械沖擊，節(jié)省能耗，降低運(yùn)行成本。

2 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

礦山空氣壓縮機(jī)為礦山井下設(shè)備提供必要?jiǎng)恿?，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(jìn)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(shí)現(xiàn)對空氣壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)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(jī)的工作電源頻率進(jìn)行電壓、頻率變換實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制，主要結(jié)構(gòu)包括整流器、逆變器、濾波器、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測裝置以及微處理器。變頻器的工作原理依據(jù)是電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電源輸入頻率f存在? 的關(guān)系，其中p為電機(jī)磁極的對數(shù)，s為電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，由此不難發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)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(jī)電動(dòng)機(jī)工作交流電源來實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的控制。而空氣壓縮機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速n與空壓機(jī)功率p的一般關(guān)系為 ，

其中T為空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩，空氣壓縮機(jī)目的在于保障壓力平衡，一般為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，因此可以通過變頻調(diào)速控制實(shí)現(xiàn)對礦用空氣壓縮機(jī)的功率控制節(jié)能改造。

2.1 系統(tǒng)硬件的選型

系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、管道、PLC、變頻器、工控機(jī)、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(qiáng)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(jì)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(jìn)的交流異步電機(jī)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 變頻控制調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

礦山空氣壓縮機(jī)一般布置在礦山地面，工作過程中外界空氣經(jīng)由空氣過濾器進(jìn)入壓縮機(jī)內(nèi)部，由空氣壓縮機(jī)交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮螺桿旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)空氣體積壓縮，在此過程中系統(tǒng)會(huì)往壓縮氣缸內(nèi)噴入冷卻潤滑油，達(dá)到一定壓力的油氣混合物經(jīng)過油氣分離裝置實(shí)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(jìn)入儲(chǔ)氣罐或者供氣管道。

為了保證系統(tǒng)的安全可靠，同時(shí)方便人機(jī)交互，利用工控機(jī)對空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)工作情況進(jìn)行監(jiān)測控制。監(jiān)控包括對控制過程以及設(shè)備運(yùn)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(diǎn)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(jī)自動(dòng)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(shí)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(shí)現(xiàn)連接通信。監(jiān)測模塊對模擬量信號進(jìn)行檢測、采集，由通訊擴(kuò)展模塊送至PLC軟件程序進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、轉(zhuǎn)換運(yùn)算，判斷設(shè)備運(yùn)行正常與否，異常情況下會(huì)啟動(dòng)報(bào)警裝置。上位機(jī)則通過TCP/IP通信協(xié)議實(shí)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(jì)

礦山空氣壓縮機(jī)的變頻控制離不開軟件程序，由于系統(tǒng)選用西門子S7-200PLC，所以選用西門子公司專門針對S7-200系列PLC設(shè)計(jì)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(jì)創(chuàng)建以及修改測試。該工具簡單易學(xué)、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(jìn)行程序設(shè)計(jì)編程。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需求對軟件流程進(jìn)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(jìn)行了必要的調(diào)試和測試，對使用過程軟件程序的運(yùn)行狀態(tài)、程序掃描情況進(jìn)行了驗(yàn)證測試。針對工控機(jī)的編程則利用國產(chǎn)KingView軟件實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)，進(jìn)行設(shè)備的連接、通訊協(xié)議選擇、監(jiān)測界面的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，并完成了系統(tǒng)的調(diào)試與測試。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的一套主要針對礦山空氣壓縮機(jī)的變頻控制系統(tǒng)，通過PLC搭配變頻器實(shí)現(xiàn)對空壓機(jī)的節(jié)能高效控制，能夠有效降低空氣壓縮機(jī)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(shí)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制有效延緩設(shè)備壽命，保障空氣壓縮機(jī)工作的安全性、可靠性以及穩(wěn)定性，應(yīng)用前景廣闊。

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作者簡介：

任宏偉（1983- ），男，山西盂縣人，本科，畢業(yè)于太原理工大學(xué)，機(jī)電工程師。