孫志軍

（大同煤礦集團有限責任公司，山西大同 037000）

0 引言

空壓機作為煤炭工業(yè)中主要的動力設備，其安全穩(wěn)定高效地運行對于煤炭生產作業(yè)起著至關重要的作用。傳統(tǒng)空壓機電機控制系統(tǒng)都存在一些問題：煤礦中的空壓機都有運行時段安排，當處于空載或輕載狀態(tài)時，電動機效率降低，造成電能損耗［1］；井下用氣量和用風時間不固定，以繼電器為主的傳統(tǒng)空壓機電機控制系統(tǒng)無法根據(jù)負載變化對電機進行連續(xù)調節(jié)，系統(tǒng)精度低［2］；在空壓機啟動時，電機起動電流和起動轉矩較大，對電網形成沖擊，造成保護裝置誤動作而跳閘，同時也會損害設備本身。所以設計一種利用PLC控制可實現(xiàn)變頻調速的空壓機電機控制系統(tǒng)是很有必要的。

本文從系統(tǒng)總體設計，硬件組成和軟件設計3 個方面進行研究，闡述了系統(tǒng)的控制原理和過程以及各部分所實現(xiàn)的功能，并以此完成了系統(tǒng)軟件的設計，最終實現(xiàn)空壓機電動機的變頻調速和跟隨負載變化連續(xù)控制。

1 系統(tǒng)設計總體方案

在空壓機變頻調速控制系統(tǒng)中，控制對象為3 臺浙江開山生產的JN250-8型空氣壓縮機，公稱容積流量46 m3/min，排氣壓力0.8 MPa，電動機額定功率為250 kW，額定電壓6 kV，轉速1 490 r/min。系統(tǒng)采用兩級控制結構，IPC作為監(jiān)控上位機，用于顯示收集到的空壓機運行參數(shù)和開關量，并據(jù)此向控制器發(fā)出控制信號；控制器采用PLC，接收到相應指令后對空壓機進行啟停等操作的控制［3］；變頻調速系統(tǒng)主要采集量為壓力信號，通過壓力傳感器實現(xiàn)采集并傳送至監(jiān)控上位機，同時還設置有電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器等，分別采集電機三相電壓電流、空壓機排氣溫度、電機溫度等參數(shù)［4］。此外系統(tǒng)還設置有Y14D50029 型儲氣罐，系統(tǒng)可根據(jù)儲氣罐壓力值自動選擇3 臺空壓機的運行方式，實現(xiàn)智能節(jié)能運行。控制系統(tǒng)總體設計方案如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)總體設計方案

2 硬件方案設計及選型

根據(jù)系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能將系統(tǒng)拆分為上位機監(jiān)控子系統(tǒng)和變頻調速子系統(tǒng)，下面分別對這兩個子系統(tǒng)的硬件進行設計與選型。

2.1 上位機監(jiān)控子系統(tǒng)硬件設計與選型

監(jiān)控上位機需滿足系統(tǒng)規(guī)模大、采集量多的要求，本文選用研華IPC-610H 工控主機：PCA-6007LV/P43.0G/1G/160G/DVD/10M-100M 網卡/聲卡/KB + M，并搭配PCI2000型數(shù)據(jù)采集卡，PCI2000 具有32 位PCI 總線，即插即用，還具有12位分辨率的A/D轉換模塊和32 路模擬輸入通道以及16路的輸入、輸出開關量［5］，程控增益可放大到1、2、4、8倍，可保證轉換精度達到最佳，系統(tǒng)也留有足夠的擴展余量，各類傳感器將監(jiān)測數(shù)據(jù)轉換成4 ～20 mA標準信號后通過隔離電路傳送至計算機，由計算機對信息進行分析處理。圖2 所示為監(jiān)控系統(tǒng)示意圖。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

根據(jù)控制要求，系統(tǒng)需實現(xiàn)多參數(shù)采集，通過PLC 對各空壓機和冷卻系統(tǒng)實現(xiàn)啟停、報警等操作。主控器PLC選擇西門子S7-300PLC可編程控制器，該控制器共有24 個數(shù)字輸入量接口，4個模擬輸入量接口，16個數(shù)字輸出量接口，2

個模擬輸出量接口，在滿足本系統(tǒng)需求的同時還能夠留有一定余量。系統(tǒng)需要對以下工況參數(shù)進行采集：壓力參數(shù)包括空壓機出口壓力、油壓、管道壓力等；電參數(shù)采集選用EDA9033A型智能電數(shù)據(jù)綜合采集模塊，電壓電流的測量精度為0.2級，且同時具有16 位A/D 轉換［6］。通過以上傳感器，便可完成系統(tǒng)所需工況參數(shù)的采集。

2.2 變頻調速子系統(tǒng)硬件設計與選型

變頻調速供氣系統(tǒng)的基本功能有兩個，空壓機出口壓力可控制為恒定值和供氣量可根據(jù)實際情況連續(xù)調節(jié)，故該系統(tǒng)是一個閉環(huán)調節(jié)控制系統(tǒng)，其核心設備是PID調節(jié)器和變頻器。首先PID設置一個壓力閾值并向變頻器發(fā)送電流信號，當傳感器采集到的壓力顯示大于設定值時，PID 調節(jié)器輸出的電信號減小，變頻器的輸出頻率也隨之降低，電動機轉速下降，空壓機出口壓力減?。?］；當檢測值大于設定值時同理，從而實現(xiàn)風壓的自動調節(jié)。

考慮到變頻器所帶負載特性、工作環(huán)境、容量和傳動功能等綜合因素，本文選用西門子MM440通用型變頻器，該變頻器采用模塊化設計，具有6個可編程的獨立數(shù)字量輸入，2

個可量測的模擬量輸入，1 個可編程模擬量輸出和3 個可編程繼電器輸出，可滿足本系統(tǒng)容量需求。西門子MM440 變頻器主要是針對異步電機控制而設計的，其中自帶PID 調節(jié)器［8］，設置好輸入信號、反饋信號、輸入方式和P、I、D 控制參數(shù)后，便可實現(xiàn)電機的閉環(huán)控制。當MM440變頻器工作在V/f控制方式下時，變頻器的輸出頻率和電壓解耦，兩者可單獨設定，這樣就可以在輸出頻率不變的情況下，通過單獨接收PLC的電壓控制信號完成對輸出電壓的自整定。

3 軟件方案設計

軟件設計分為兩部分，分別為監(jiān)控上位機主程序設計和變頻及自動控制程序設計。監(jiān)控上位機軟件在Win10 平臺上用C語言和Delphi編寫開發(fā)而成的，用戶可直觀看到現(xiàn)場各點的數(shù)據(jù)及狀態(tài)，同時還具備數(shù)據(jù)保存、統(tǒng)計、打印等基本功能。圖3所示為監(jiān)控上位機主程序流程圖。

圖3 監(jiān)控上位機主程序流程圖

變頻及自動控制子系統(tǒng)的程序編寫是系統(tǒng)軟解設計部分的核心內容，系統(tǒng)設有3 個變頻器和3 臺空壓機，按下啟動按鈕，1#空壓機首先啟動進入變頻調速模式，當頻率超過初設閾值上限且出口壓力仍未達到初設閾值時，PLC 發(fā)出控制指令，通過繼電器將1#空壓機切換至工頻運行；此時2#空壓機進入變頻調速模式，當其頻率達到閾值下限但壓力未達閾值時，2#空壓機也由PLC控制自動切換至工頻運行；3#空壓機控制過程同理，當3#空壓機處于變頻調速模式時，此時若用氣量降低，3#變頻器頻率也達到了閾值下限，PLC 會控制最先啟動的1#空壓機停運。

4 實際運行測試效果

晉華宮礦榆澗空氣壓縮機房內配備有3 臺電機型號為HCM355-4的空壓機，在排氣量和排氣壓力相同的條件下，配備本系統(tǒng)前后的測量數(shù)據(jù)及計算分析如下。

（1）配備本系統(tǒng)前

實測數(shù)據(jù)：

電動機年耗電量：

W1＝266.25 kW ×18 h×365 ＝1 749 262.5 kW·h

（2）配備本系統(tǒng)后

實測數(shù)據(jù)：

電動機年耗電量：

W2＝204.27 kW ×18h×365 ＝1 342 053.9 kW·h

（3）年電能節(jié)約量

電動機年節(jié)能（單臺）：

故機房內共3臺空壓機年節(jié)電量約為1 221 625.8 kW·h，實現(xiàn)了節(jié)能運行，節(jié)約了運行成本，提高了經濟效益。

5 結束語

本文基于變頻技術設計的煤礦空壓機電機控制系統(tǒng)在實際測試中可以保證出口壓力基本恒定，供氣量可根據(jù)煤礦實際用氣情況進行連續(xù)調節(jié)，具有明顯的節(jié)能效果，系統(tǒng)的控制精度、穩(wěn)定性、自動化程度都得到了提升，具有良好的經濟效益和應用前景。