基于PLC的礦用空壓機變頻調速系統設計分析

宋 焱

（晉能控股煤業集團晉圣松峪煤業，山西 晉城 048200）

引言

空壓機作為煤礦生產過程中的重要動力設備，通過持續循環的方式將地面上的空氣吸入、壓縮然后在排入到井下，同時還為絞車、風鉆、注漿機以及鑿巖機等風力設備提供穩定可靠的動力源。目前，大多數煤礦依然采用全天候運行煤礦空壓機，這種空壓機存在自動化程度低、電能消耗大、運行效率低以及安全性能差等問題。通過風動負荷對空壓機組進行動態控制可以讓煤礦空壓機的工作狀態得到持續改善，但是風動載荷卻充滿不確定性和時變性，同時傳統空壓機組所采用的間歇控制方式所需啟動電流較大，會對電網系統造成一定的載荷沖擊，對煤礦空壓機的正常運行產生不利影響。針對上述問題，設計具備測量運行狀態以及運行參數功能的PLC系統，對風包壓力進行實時監測，通過PID模糊算法控制機組輸出功率，從而對空壓機組工作狀態進行優化和改善。

1 煤礦空壓機組工作原理

煤礦空壓機組主要由如下六部分組成包括：空壓機、空氣壓縮管道設備、冷卻循環設備、油氣分離設備、運行監測設備、輔助設備，其結構組成如圖1所示。地面空氣先經過空濾器進行雜質顆粒濾除，電機帶活塞桿向下移動，進氣閥門打開，空壓機吸入空氣。活塞桿對空壓機吸入空氣進行反向壓縮，止回調節閥動作向機體進行冷卻潤滑油噴射，然后再將混合油氣輸送到油氣分離設備。當壓縮空氣和潤滑油分離后，空氣壓力超過系統設定值，那么球形閥就會自動打開，在通過冷卻循環設備對壓縮空氣進行冷卻干燥處理，最后將其輸送到礦井通風管道中。為了保證井下機械設備的正常運行，必須要使煤礦空壓機組一直保持在待機開啟狀態。

圖1 煤礦空壓機組總體結果

2 煤礦空壓機變頻調速系統設計

2.1 控制方案

下頁圖2所示為煤礦壓縮機組變頻調速控制流程圖，其主要作用就是加強對設備運行參數的優化和反饋。

圖2 煤礦空壓機變頻調速控制方案

對于空壓機的功率輸出，是以電機轉速以及風包壓力作為反饋基準，前一部分是將實測值和設定值之間的差值作為依據，在通過模糊控制器對PID參數進行整定，然后對空壓機的輸出功率進行確定，最后由變頻器對電機的轉速進行調節；后一部分是將實測轉速值和模糊控制器確實轉速值之間的差值作為依據，通過PID參數對空壓機功率進行動態控制。對于油氣分離、循環冷卻等諸多功能，基本上都是采用負反饋控制方式來使運行參數保持正常：對油箱、壓縮氣體等溫度進行監控，通過循環冷卻功能來對溫度進行抑制；對油氣分離過程中的空氣雜質顆粒、空氣壓力以及油液位進行監測，以確保所有傳感器監測值滿足設定值要求，從而使井下機械設備保持正常運行。

2.2 PLC硬件設計

因為考慮到煤礦空壓機變頻調速控制方案和礦井風動負荷的自身特性，所以本PLC硬件在設計上特意采用上、下位機相協調的方式進行架構控制，其組成機構如圖3所示。從圖3可知，上位機采用的是57-300型PLC系統，其核心為315-2DP型CUP，主要作用就是對煤炭生產設備機電控制系統進行集中監控，但對煤礦空壓機進行變頻調速則是通過梯形圖程序和風動負荷共同作用對空壓機組輸出功率環境進行動態調整。下位機采用的是S7-200型PLC系統，其核心為226型CUP，將其和上位機連接在一起創建Profibus-DP總線。通過下位機對4臺空壓機以及輔助設備運行參數進行監測，同時還要對上位機所發送的調度指令進行接受，以便通過57-200對PID參數進行在線整定，從而保證變頻調速得到有效實現。

圖3 PLC硬件結構

下位機57-200的核心組成部分CUP為系統提供數字輸入量和輸出量分別為24點和16點，除此以外，還額外新增兩塊EM223方便下位機進行犯點數字量輸出和輸入，其主要作用就是對空壓機各個開關觸點進行實時監控。通過ET 200M對設備中壓縮氣體的壓力、溫度以及電機轉速進行監測。為了把分布式I/0嵌入到Profibus-DP總線中本系統特意采用IM153-1接口，根據礦井實際需求要對4臺空壓機進行變頻調速所以本系統所選4臺選變頻器皆為MM430系列，其中2臺額定功率為200 kW，另外2臺額定功率為250 kW。因為下位57-200自身屬性限制最多只能供31臺變頻器使用，所以需要借助MM430變頻器和RS-485通信對數據進行交互。為了保證空壓機變頻調速的正常運行，變頻器需要先經過斷路器、然后經過接觸器、其次經過濾波器，最后在經過電抗器連接電網。與此同時，為了減小變頻器對其他運行設備的影響，其電纜連接采用的是雙端接地的方式。

2.3 PLC程序設計

PLC程序主要由兩大部分共同組成，第一部分是上位機梯形圖程序；第二部分是下位機梯形圖程序。其中上位機57-300是通過SIMATIC STEP7V5.2平臺進行程序開發，而下位機57-200則是通過SIMATICSTEP 7 Micro/WIN V4.0平臺進行程序開發。無論上位機程序還是下位機程序都由如下三部分組成：循環組織模塊OB1、子程序功能模塊、中斷組織模塊。通過循環組織模塊OB1對子程序功能模塊進行調用，此時OB1優先級均低于OB100和OB35組織模塊，而中斷組織模塊主要作用就是模糊控制得到實現。在上位機端系統中，57-300主要作用就是讓模糊控制得到實現，換而言之，就是通過OB100組織模塊中的FB1功能，對FC1～FC4子程序分別進行運算，其具體計算流程圖如圖4所示。上位機57-300和下位機57-200通信，就是將變頻調速過程中所需要使用的PID參數分別傳遞到上位機DB3數據模塊中，在通過I/0 ET200M模塊對電機轉速按采樣時間進行獲取，最后將監測數據通過總線傳遞給上位機進行數據處理；首先監測數據經過FC1子程序基本運算后，可以得到監測數據誤差值e和誤差變化率ec，然后在對e和e進行判斷是否超限，如果超限，那么就將超限變量作為限值的下限，傳遞到上位機DB1數據模塊中；然后將DB1中的e和ec經過FC2子程序模糊化處理，然后得到E和Ec并將數據傳遞到DB1數據模塊中；其次將E和Ec經過FC3子程序處理，得出模糊控制量并將數據傳遞到DB1數據模塊中；最后將模糊控制量經過FC4子程序模糊處理，得到模糊控制PID參數，在對參數是否超限進行判斷。如果超限，那么就將超限變量作為限值的下限，并對數據進行模糊處理然后傳遞到57-200 PLC中。

圖4 模糊控制流程圖

在下位機端系統中，57-200主要作用就是讓PID控制和變頻調速得到實現，通過OB1組織模塊讓油氣分離、潤滑冷卻、循環水冷以及變頻在線監控得到實現，在將上位機中所儲存的PID參數通過OB35組織出傳遞到S7-200中，以此根據礦井風動載荷來對變頻器輸出功率進行動態調整。當對系統進行初始操作后，按照OB1循環組織模塊對故障報警、采樣等子程序進行循環調度，并根據自動控制程序要求對上位機PID參數進行輸出，在經過OB35組織模塊對PID執行控制，從而達到變頻調速目的。

3 結語

根據礦井風動載荷動態變化，上位機57-300通過模糊計算法對空壓機的輸出功率進行確認，同時還對下位機57-200所傳遞的PID參數進行在線整定。下位機為空壓機組提供安全可靠的變頻調速設置，通過PID參數對空壓機組輸出功率進行優化，以此保證風包壓力始終處于恒定狀態。此系統運行不僅安全可靠，而且還能根據礦井風動負荷的變化對空壓機組的輸出功率進行動態調整，因此對電能損耗起到很大的改善作用。同時此系統還能對空壓機組故障以及運行狀態進行在線監控，為設備后期維修保養提供了便利。