基于變頻器及PLC 控制的螺桿式空壓機的節能改造系統

吳勇波，李朋，侯小波

（1. 深圳煙草工業有限責任公司，廣東 深圳 518109；2.北京航天拓撲高科技有限責任公司，北京 100176）

螺桿式空壓機是卷煙廠動力車間的重要設備之一，是產生壓縮空氣的主要設備。但其自動化程度低，控制方式相對簡單，通常采用兩點式（上下限）控制，即當空壓機氣缸內的壓力達到設定壓力上限值時，空壓機關閉進氣閥，進入卸載狀態，當儲氣罐內壓力低于設定壓力下限值時，空壓機打開進氣閥，進入加載狀態?？諌簷C在運行過程中排氣量和壓力經常因為生產車間的用氣量變化而變化，這就導致空壓機經常是加載一段時間，然后，卸載一段時間，頻繁重復加載和卸載。螺桿式空壓機的上下限的控制方式導致產生的空氣壓力不穩定，管路的空氣壓力波動比較大，不能保持恒定的車間用氣壓力；空壓機頻繁的卸載和加載，對電網的沖擊比較大；空壓機卸載狀態時，主電機依舊保持運行，并不產氣，運轉效率低，能耗大，電能浪費較大；空壓機始終高速運轉，且頻繁操作進氣閥，導致機械磨損加快，增加造氣成本。

由于煙廠制絲生產線是流水式生產線，自動化程度高，相應對于空壓的穩定性要求也很高，以及卷煙廠對節能降耗的要求不斷增加，加上上述螺桿式空壓機的缺點，有必要對螺桿式空壓機進行變頻節能改造。隨著工控技術的發展，變頻器所具有的性能穩定性、節能、調速等特性在工控領域的廣泛應用，以及可編程控制器（PLC）具有體積小、控制功能強、可靠性高、編程簡單、易于擴展等特性。通過PLC 控制與變頻器相結合為空壓機節能改造提供了可靠的技術支持。

1 控制系統方案設計

1.1 系統組成

系統組成主要包括硬件和軟件兩方面，硬件方面主要由可編程控制器，即PLC（西門子315 PLC）、分布式IO（西門子151-3）、數字量輸入輸出IO 模塊及模擬量輸入AI 模塊、變頻器（丹佛斯FC302 系列）、壓力變送器（E+H 產品）等產品組成。每臺空壓機電機通過變頻器控制，空壓系統內其它電機均由分布式IO 控制；軟件方面主要由西門子S7 編程軟件和Intouch 監控軟件組成，S7 用于編寫PLC 控制程序，Intouch 用于完成人機界面的開發。

1.2 系統網絡架構

系統架構包括設備控制層和集中監控層兩大部分，從功能上包括底層動力自動控制、設備運行集中監控兩大系統，并為信息管理層預留提供基礎數據接口。設備控制層主要由各類現場控制設備、計量儀表和各類現場通訊網絡組成；集中監控層主要由過程控制單元如PLC、數據采集網關、各類操作計算機設備和工業以太網組成。網絡架構采用分散控制、集中監控的模式。PLC 通過Profinet 網絡將變頻器、分布式IO 進行組網；多功能電能表通過Profibus DP 組網，流量計通過Profibus PA 組網；空壓機網關、監控機通過TCP/IP與PLC 的CP 網卡相連。網絡架構如圖1。

圖1 網絡架構圖

這種配置方案技術先進，廣泛采用目前國際領先的分布式技術和現場總線產品，大大減少了電控箱的柜間連線和省去了大量的現場線纜，既提高控制精度和可靠性，又給維護保養帶來了很大方便。

2 節能控制設計

節能控制主要是依托系統硬件設計，通過數據采集及PLC 編程控制實現節能，主要有以下兩方面：

（1）通過PID 閉環調節控制變頻器轉速；

（2）通過PLC 編程，控制空壓機數群控策略。

2.1 PID 閉環控制

PID 閉環控制是將采集壓力實際值反饋給PLC，通過跟壓力設定值進行比較，輸出給PID 控制器，通過調節電機頻率，從而控制實際壓力使其達到設定值，PID 閉環控制回路如圖2 所示。

動力車間空壓系統啟動運行時，首先，設定系統壓縮空氣的工作壓力，即壓力設定值SP。在空壓機出氣管路上加裝的壓力傳感器，系統運行時，實時采集空壓機出氣口實際壓縮空氣的壓力，即可采集壓力實際值PV。PLC 編程PID 閉環控制程序，通過采集的壓力實際值PV 與工作壓力設定值SP比較，如果不一致，則通過PID 閉環控制調節變頻器頻率設定值，實現空壓機電機的變頻運行，從而達到節能的目的。系統運行框圖如圖3。

圖2 PID 閉環控制示意圖

圖3 系統運行框圖

2.2 空壓機數群控策略

空壓機網關的安裝可實現PLC 與空壓機本身控制的通訊，PLC 可遠程啟停空壓機，PLC 程序根據壓縮空氣總管壓力控制空壓機運行臺數，使空壓機的運行臺數與用氣負荷相匹配，從而避免了以往運行工根據經驗開啟一定臺數的空壓機的做法。在生產穩定情況下，壓空機需要空壓機的總出力大于生產用氣的最大負荷，但是，空壓用氣點除了工藝用氣相對穩定外，吹掃和除塵用氣都屬于間歇性用氣，且用氣時間短，因此，空壓系統總會有一臺空壓機處于運行狀態（加載），運行頻率通過PID 閉環控制進行調節。當用氣量等于或超過此單機容量時，自動增加一臺空壓機啟動并使其調速運行。

3 空壓機變頻改造后的效益

3.1 節約能源

空壓機加載運行時，電機運行轉速降低，并且卸載現象減少，減少了空壓機的無用功，從而達到節能效果。

3.2 提高系統壓力穩定性

螺桿式空壓機采用變頻器及PLC 控制后，系統可以實時監測管路中壓縮空氣的壓力，通過PID 反饋閉環調節，使管路中的壓縮空氣的壓力保持恒定，提高了系統壓力的穩定性。

3.3 延長空壓機使用壽命

空壓機變頻啟動電流小，基本消除空壓機頻繁的加卸載過程，加卸載閥門反復動作也相應消除，空壓機變頻控制，自動調節電機轉速，運行頻率低，轉速慢，軸承磨損小，設備使用壽命延長，維護工作量變小。

3.4 噪音小

空壓機電機通過PID 閉環控制變頻運行，能量損耗低，電機運行頻率低，因此，降低了機械轉動產生的噪音；反復加載、卸載的過程基本消除，頻繁加卸載的噪音也基本消除；持續加壓，氣壓不穩產生的噪音也基本消除。

4 結語

總之，螺桿式空壓機采用變頻器及PLC 控制系統后，不但實現了節能的目的，延長螺桿式空壓機的使用壽命，還可實現卷煙廠動力車間空壓系統供氣壓力穩定的目的，減少生產成本，提高經濟效益、生產效率和產品質量。