基于S7-300PLC的左岸金礦空壓機(jī)組“一拖多”雙循環(huán)軟啟動變頻智能聯(lián)控節(jié)能技術(shù)研究

佘文遠(yuǎn)

（紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，福建 龍巖 364200）

由于礦山用氣量受生產(chǎn)工序影響波動較大，傳統(tǒng)的控制方法和控制系統(tǒng)往往導(dǎo)致輸出壓氣壓力不穩(wěn)定和電能浪費(fèi)嚴(yán)重。為此，本文結(jié)合吉爾吉斯左岸金礦生產(chǎn)實(shí)際，采用西門子S7-300PLC控制單臺變頻器“一拖多”循環(huán)軟啟動變頻智能控制技術(shù)對原系統(tǒng)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)了整個空壓機(jī)系統(tǒng)“按需”智能調(diào)節(jié)和礦井的穩(wěn)壓供風(fēng)。

1 工程背景

圖1 空壓機(jī)組供電系統(tǒng)圖

吉爾吉斯斯坦奧同克公司左岸金礦空壓機(jī)組由2臺（1#、2#）復(fù)盛牌SA-315（排氣量60m3/min，最大壓強(qiáng)0.8Mpa，功率315KW）和5臺（3#、4#、5#、6#、7#）復(fù)盛牌SA-250（排氣量40m3/min，最大壓強(qiáng)0.8Mpa，功率250KW）螺桿式空壓機(jī)組成，供電電壓10kV，負(fù)責(zé)全礦井風(fēng)動設(shè)備的動力源，各機(jī)組均是獨(dú)立操作、真空斷路器直接啟動和額定工頻運(yùn)行，每臺空壓機(jī)上裝有一臺電機(jī)直接起動裝置，各臺空壓機(jī)冷卻方式均為風(fēng)冷，如圖1所示。空壓機(jī)房距中央調(diào)度室1150m。由于礦山生產(chǎn)的特殊性，需氣量會受到生產(chǎn)節(jié)奏的影響，因此存在較大的不均衡性，如圖2所示。

圖2 礦井各時間段壓氣需用量變化圖

為保證井下生產(chǎn)用風(fēng)所需風(fēng)壓和風(fēng)量要求，如果使空壓機(jī)組中的大多數(shù)保持每天24小時不間斷運(yùn)行，當(dāng)井下用氣量較少時，電機(jī)在空載或輕載下運(yùn)行，造成電能浪費(fèi)和因卸載閥頻繁動作而使設(shè)備加速損壞。如果由人工進(jìn)行啟停操作，過大的啟動轉(zhuǎn)矩和啟動電流沖擊又會嚴(yán)重干擾供電網(wǎng)和損害機(jī)械負(fù)載。人工手動開關(guān)空壓機(jī)會導(dǎo)致供氣壓力產(chǎn)生較大波動，空壓機(jī)運(yùn)行工況異常或故障信息很難做到及時發(fā)現(xiàn)，從而直接影響到礦山生產(chǎn)及設(shè)備運(yùn)行安全。針對左岸金礦空壓機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)存的上述各種問題，經(jīng)過深入研究和分析，對原控制系統(tǒng)進(jìn)行智能化、自動化、信息化節(jié)能升級改造從而實(shí)現(xiàn)供用氣的動態(tài)平衡和節(jié)能控制已勢在必行。

2 技術(shù)思路

變頻啟動是高壓大功率電機(jī)的最佳的啟動方式，它通過改變電機(jī)供電電源的電壓、頻率以實(shí)現(xiàn)交流電動機(jī)的平滑速度。由電機(jī)調(diào)速的基本公式：

可知：在電機(jī)的轉(zhuǎn)差率(1-S)和電機(jī)的極對數(shù)P一定時，通過改變正弦交流電頻率的大小可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速[1]。根據(jù)流體力學(xué)基本定律：對于空壓機(jī)這類變轉(zhuǎn)矩負(fù)載而言，流量Q與轉(zhuǎn)速N成正比，功率P與轉(zhuǎn)速N的立方成正比，因此，通過變頻器改變正弦交流電頻率的大小而有效控制空壓機(jī)電機(jī)的功率可以實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)電機(jī)變頻節(jié)能的目的。相對其它啟動方式而言，高壓變頻啟動具有調(diào)速范圍寬、無級調(diào)速、高效的驅(qū)動性能、良好的控制特性等優(yōu)點(diǎn)。

PLC是以CPU為核心，結(jié)合微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)為一體的一代新型工業(yè)控制裝置，它通過與外部進(jìn)行電氣連接的端口進(jìn)行信號傳遞，從而實(shí)現(xiàn)其控制功能。PLC結(jié)合變頻器用于礦山空壓機(jī)組聯(lián)控是目前最有效的節(jié)能調(diào)速控制方式[2]。本研究通過采用PLC控制一臺變頻器進(jìn)行多臺空壓機(jī)“一拖多”循環(huán)軟啟動變頻智能控制，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)組的集中控制，消除空壓機(jī)卸荷狀態(tài)的空載運(yùn)行時間、減少空壓機(jī)啟動次數(shù)，以達(dá)到空壓機(jī)組經(jīng)濟(jì)和安全運(yùn)行的目的。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)硬件由PLC（可編程控制器）、變頻器、壓力傳感器、電流傳感器、溫度傳感器、壓力（溫度、電流）變送器、接觸器、電動機(jī)、空壓機(jī)、保護(hù)電路、模擬量輸入輸出模塊、空壓機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)等部件組成。通過PLC控制器接收到主壓氣管氣體壓力傳感器反饋的信號來給變頻器發(fā)送指令，從而控制7臺空壓機(jī)的變頻或工頻運(yùn)行，如圖3示。

圖3 基于PLC控制的空壓機(jī)系統(tǒng)簡圖

根據(jù)輸入/輸出量及采集速度考慮，選用S7-300系列PLC可編程控制器（CPU314C-2DP-X12）、SM323數(shù)字量擴(kuò)展模塊，SM331模擬量擴(kuò)展模塊，采用PPI網(wǎng)絡(luò)與觸摸屏界面通訊，采用CP340-1工業(yè)以太網(wǎng)通訊處理器模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程控制界面通訊。配套選用SBH-100-315型高壓變頻器，它的優(yōu)點(diǎn)是過載能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，具備內(nèi)部功能互聯(lián)特性。

圖4 PLC供電回路圖

該系統(tǒng)通過變頻器可實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)組各高壓電機(jī)的軟啟動，避免在啟動瞬間大電流對設(shè)備的沖擊；在變頻器發(fā)生故障后，系統(tǒng)可通過手動轉(zhuǎn)換變頻工作模式為工頻工作模式，保證了系統(tǒng)的不間斷運(yùn)行和礦山生產(chǎn)的連續(xù)性。在系統(tǒng)的整體設(shè)計當(dāng)中，在主壓氣管道處設(shè)置遠(yuǎn)壓力傳感器并整

圖5 模擬量輸入模塊原理接線圖

圖6 高壓變頻器接線圖

合空壓機(jī)組原有的溫度傳感器和電流傳感器，通過壓力、溫度及電流變送器將信號轉(zhuǎn)換傳輸給PLC進(jìn)行處理分析，以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測、參數(shù)異常保護(hù)及智能控制功能[4]。PLC與主壓氣管道處的壓力傳感器、變送器等測控單元組成氣體壓力“測量→反饋→修正調(diào)節(jié)→測量→”的閉環(huán)控制體系[4]，使輸出與實(shí)際需風(fēng)量相匹配的電源頻率達(dá)到“供需快速響應(yīng)和動態(tài)調(diào)節(jié)”，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的[5]。

為增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性，整個控制系統(tǒng)設(shè)手動常規(guī)電氣控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方式，兩種控制方式互為備用。其中，手動常規(guī)電氣控制采用空壓機(jī)原有控制系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)主要由2個系統(tǒng)組成(下位機(jī)現(xiàn)場監(jiān)測與控制系統(tǒng)、上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng))，以可編輯邏輯控制器為核心，以傳感器、控制器以及電子通信裝置作為遠(yuǎn)程監(jiān)測報警系統(tǒng)。通過現(xiàn)場可編輯邏輯控制器對采集的數(shù)據(jù)使用總線方式將數(shù)據(jù)送于上位機(jī)，傳感器將采集的數(shù)據(jù)傳給PLC進(jìn)行處理及計算，將結(jié)果輸出或者作為預(yù)警信號，假如設(shè)備出現(xiàn)異常，系統(tǒng)就會報警，監(jiān)控人員可以根據(jù)實(shí)際情況，采取相應(yīng)的措施。

系統(tǒng)的編程軟件采用西門子公司的SIMATIC ManagerV5.5版本，通過S7-300兩個RS485通信口做PI網(wǎng)絡(luò)可方便地實(shí)現(xiàn)S7-300的編程和監(jiān)控及S7-300與觸摸屏的通訊。通過CP340-1的向?qū)С绦蚩梢苑奖愕貙?shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)組態(tài)軟件的以太網(wǎng)通訊。

4 調(diào)控策略

調(diào)控模式分為三種：自動模式、時間模式和手動模式。為保證每臺空壓機(jī)在72小時內(nèi)有足夠的散熱時間，每天早8點(diǎn)到晚0點(diǎn)系統(tǒng)自動切換到自動調(diào)控模式，晚上0：30（此時用氣量最少）點(diǎn)到8：00點(diǎn)由自動模式自動切換到時間模式下。時間模式是在自動調(diào)控模式流程的基礎(chǔ)上，1#、2#、3#空壓機(jī)在單日0：30至8：00點(diǎn)為停止運(yùn)行狀態(tài)，雙日為自動模式運(yùn)行狀態(tài)；4#、5#、6#、7#在雙日為停止?fàn)顟B(tài)，單日為自動模式運(yùn)行狀態(tài)。

圖7 PLC自動模式控制流程圖

如圖7，在自動模式下，按下PLC啟動按鈕啟動系統(tǒng)。1#空壓機(jī)先按照變頻運(yùn)行工況，轉(zhuǎn)速從零不斷上升，若達(dá)到空壓機(jī)電源最大頻率（50Hz），延時5min后還未達(dá)到系統(tǒng)所需氣體壓力（0.55MPa～0.65MPa）時，則將1#空壓機(jī)自動切換到工頻運(yùn)行工況，同時啟動2#空壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入變頻運(yùn)行工況，若2#空壓機(jī)達(dá)到電源頻率上限，延時5min后還未達(dá)到系統(tǒng)氣壓要求時，則將2#空壓機(jī)切換至工頻運(yùn)行工況，同時啟動3#空壓機(jī)進(jìn)入變頻運(yùn)行工況，以此類推，若7#空壓機(jī)達(dá)到電源頻率上限，延時5min后還未達(dá)到系統(tǒng)氣壓要求時，則啟動系統(tǒng)報警程序。若系統(tǒng)中用風(fēng)量減少，7臺空壓機(jī)均在運(yùn)行狀態(tài)，此時，PLC可編程控制器調(diào)節(jié)7#空壓機(jī)變頻頻率，若頻率降至規(guī)定下限值（20Hz）時，運(yùn)行5min后風(fēng)量減少量不滿足要求（0.55MPa～0.65MPa），則停止7#空壓機(jī)，6#機(jī)變頻運(yùn)行，若頻率降至規(guī)定下限值時，運(yùn)行5min后，仍不滿足要求，則控制6#空壓機(jī)停機(jī)，5#空壓機(jī)變頻運(yùn)行，以此類推，

圖8 調(diào)控模式切換流程圖

若1#空壓機(jī)變頻運(yùn)行頻率降至規(guī)定下限值時，運(yùn)行5min后，仍不滿足要求，則1#空壓機(jī)以最小頻率（20Hz）運(yùn)行。

空壓機(jī)的啟動、停機(jī)分為手動及自動兩種方式。手動方式下，空壓機(jī)完全由啟/停按鈕控制，自動停止條件無效。自動方式下，根據(jù)備用選擇邏輯排列順序和相應(yīng)的聯(lián)動定值進(jìn)行自動啟停控制。無論在自動或者手動方式下，只要自手動選擇按鈕打到“OFF”位，空壓機(jī)在5秒內(nèi)自動停止。在空壓機(jī)運(yùn)行時，系統(tǒng)會自動監(jiān)控各臺空壓機(jī)工況，如某臺空壓機(jī)出現(xiàn)溫度超限、過流等異常狀況時，系統(tǒng)將發(fā)出聲光信號進(jìn)行報警并由PLC控制自行停止該空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)經(jīng)過一段時停機(jī)降溫空壓機(jī)溫度恢復(fù)至設(shè)定可起動運(yùn)行的下限值時，該臺空壓機(jī)通過PLC控制調(diào)至待變頻起動狀態(tài)。如屬過流狀態(tài)，則進(jìn)行人工處理正常后恢復(fù)至待變頻起動狀態(tài)，同時，該系統(tǒng)通過變頻器實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)的軟啟動，避免了在啟動瞬間大電流對供電系統(tǒng)的沖擊；在變頻器發(fā)生故障后，系統(tǒng)可通過手動轉(zhuǎn)換變頻工作模式為工頻工作模式，保證了系統(tǒng)的不間斷運(yùn)行和礦山生產(chǎn)的連續(xù)性。

5 遠(yuǎn)控/本地策略

系統(tǒng)分為2種主要控制模式，一是遠(yuǎn)程控制，二是本地控制，本地控制顧名思義是指在設(shè)備現(xiàn)場周邊實(shí)行對設(shè)備進(jìn)行操作，遠(yuǎn)程控制則是利用通信模塊使得PLC遠(yuǎn)程向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)交換，那么在遠(yuǎn)地的上位機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)控制PLC，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)地控制模式，直到遠(yuǎn)程控制模式失效后，本地控制模塊才可以恢復(fù)正常控制。

6 效果評估

（1）起動方式對比：單臺電機(jī)工頻直接起動電流大于100A，先變頻軟起動后切換成工頻電流小于40A，實(shí)現(xiàn)了“平滑、溫和”的軟起軟停，避免了電機(jī)起動對電網(wǎng)和系統(tǒng)的沖擊，降低了故障率，延長了電機(jī)的機(jī)械壽命。

（2）由于空壓機(jī)系統(tǒng)供氣相對恒定，供氣主干網(wǎng)壓力始終保持在穩(wěn)定范圍，從而可以保證礦山生產(chǎn)中用氣設(shè)備性能的正常發(fā)揮。

（3）可實(shí)現(xiàn)較好的節(jié)能降耗效果。經(jīng)過節(jié)能升級改造后，新系統(tǒng)能夠保整個空壓機(jī)系統(tǒng)“按需”自動調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，而電機(jī)功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，因此可大幅降低電能消耗。結(jié)合左岸金礦各班需氣量及空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，采用PLC控制“一拖多”雙循環(huán)軟啟動變頻智能節(jié)能技術(shù)改造后，年可節(jié)電量433.32萬kW·h，節(jié)約電費(fèi)成本108.33萬元，而改造投入僅需40余萬元資金，節(jié)能降耗效果非常顯著。

（4）空壓機(jī)系統(tǒng)綜合自動化水平大大提高，可在一定程度上實(shí)現(xiàn)大型設(shè)備車間真正無人值守和設(shè)備運(yùn)行的信息化與智能化。

（5）新系統(tǒng)通過實(shí)時監(jiān)測和智能控制設(shè)備運(yùn)行狀況，發(fā)生異常及時處理，避免了事故的發(fā)生，可以有效提高礦山生產(chǎn)的本質(zhì)安全化程度。

（6）由于新系統(tǒng)的啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩較小，空壓機(jī)電機(jī)在最優(yōu)工況運(yùn)行，從而對礦山供配電系統(tǒng)的沖擊和機(jī)械負(fù)載的損害相應(yīng)減小，發(fā)熱量大大降低，從而延長了空壓機(jī)電機(jī)的綜合使用壽命。

7 結(jié)語

通過采用西門子S7-300PLC控制管理系統(tǒng)和單臺變頻器“一拖多”雙循環(huán)軟啟動變頻聯(lián)控技術(shù)進(jìn)行改造，每臺空壓機(jī)電機(jī)既可以變頻運(yùn)行，又可以工頻運(yùn)行，但系統(tǒng)運(yùn)行中始終只有一臺空壓機(jī)變頻電機(jī)運(yùn)行，其它空壓機(jī)電機(jī)根據(jù)實(shí)際需要來決定是否工頻運(yùn)行，可通過整個空壓機(jī)系統(tǒng)“按需”自動智能調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)礦井的穩(wěn)壓供風(fēng)，從而取得很好的節(jié)能降耗效果，實(shí)現(xiàn)礦山大型設(shè)備車間真正的無人值守和安全管理上的“無人則安、少人則安”，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和較高的推廣應(yīng)用價值。