煤礦空氣壓縮機變頻控制系統設計

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中主要的動力設備，其安全穩定高效地運行對于煤炭生產作業起著至關重要的作用。傳統空壓機電機控制系統都存在一些問題：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空壓機電機控制系統無法根據負載變化對電機進行連續調節，系統精度低［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控制可實現變頻調速的空壓機電機控制系統是很有必要的。

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

1 系統設計總體方案

在空壓機變頻調速控制系統中，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。系統采用兩級控制結構，IPC作為監控上位機，用于顯示收集到的空壓機運行參數和開關量，并據此向控制器發出控制信號；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］；變頻調速系統主要采集量為壓力信號，通過壓力傳感器實現采集并傳送至監控上位機，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［4］。此外系統還設置有Y14D50029 型儲氣罐，系統可根據儲氣罐壓力值自動選擇3 臺空壓機的運行方式，實現智能節能運行。控制系統總體設計方案如圖1所示。

圖1 控制系統總體設計方案

2 硬件方案設計及選型

根據系統要實現的功能將系統拆分為上位機監控子系統和變頻調速子系統，下面分別對這兩個子系統的硬件進行設計與選型。

2.1 上位機監控子系統硬件設計與選型

監控上位機需滿足系統規模大、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型數據采集卡，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，系統也留有足夠的擴展余量，各類傳感器將監測數據轉換成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 所示為監控系統示意圖。

圖2 監控系統示意圖

根據控制要求，系統需實現多參數采集，通過PLC 對各空壓機和冷卻系統實現啟停、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 個數字輸入量接口，4個模擬輸入量接口，16個數字輸出量接口，2

個模擬輸出量接口，在滿足本系統需求的同時還能夠留有一定余量。系統需要對以下工況參數進行采集：壓力參數包括空壓機出口壓力、油壓、管道壓力等；電參數采集選用EDA9033A型智能電數據綜合采集模塊，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，便可完成系統所需工況參數的采集。

2.2 變頻調速子系統硬件設計與選型

變頻調速供氣系統的基本功能有兩個，空壓機出口壓力可控制為恒定值和供氣量可根據實際情況連續調節，故該系統是一個閉環調節控制系統，其核心設備是PID調節器和變頻器。首先PID設置一個壓力閾值并向變頻器發送電流信號，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，空壓機出口壓力減小［7］；當檢測值大于設定值時同理，從而實現風壓的自動調節。

考慮到變頻器所帶負載特性、工作環境、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 控制參數后，便可實現電機的閉環控制。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，分別為監控上位機主程序設計和變頻及自動控制程序設計。監控上位機軟件在Win10 平臺上用C語言和Delphi編寫開發而成的，用戶可直觀看到現場各點的數據及狀態，同時還具備數據保存、統計、打印等基本功能。圖3所示為監控上位機主程序流程圖。

圖3 監控上位機主程序流程圖

變頻及自動控制子系統的程序編寫是系統軟解設計部分的核心內容，系統設有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，配備本系統前后的測量數據及計算分析如下。

（1）配備本系統前

實測數據：

電動機年耗電量：

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

（2）配備本系統后

實測數據：

電動機年耗電量：

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

（3）年電能節約量

電動機年節能（單臺）：

故機房內共3臺空壓機年節電量約為1 221 625.8 kW·h，實現了節能運行，節約了運行成本，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在實際測試中可以保證出口壓力基本恒定，供氣量可根據煤礦實際用氣情況進行連續調節，具有明顯的節能效果，系統的控制精度、穩定性、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。