基于PLC的礦用空壓機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

宋 焱

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉圣松峪煤業(yè)，山西 晉城 048200）

引言

空壓機(jī)作為煤礦生產(chǎn)過程中的重要?jiǎng)恿υO(shè)備，通過持續(xù)循環(huán)的方式將地面上的空氣吸入、壓縮然后在排入到井下，同時(shí)還為絞車、風(fēng)鉆、注漿機(jī)以及鑿巖機(jī)等風(fēng)力設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的動(dòng)力源。目前，大多數(shù)煤礦依然采用全天候運(yùn)行煤礦空壓機(jī)，這種空壓機(jī)存在自動(dòng)化程度低、電能消耗大、運(yùn)行效率低以及安全性能差等問題。通過風(fēng)動(dòng)負(fù)荷對(duì)空壓機(jī)組進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制可以讓煤礦空壓機(jī)的工作狀態(tài)得到持續(xù)改善，但是風(fēng)動(dòng)載荷卻充滿不確定性和時(shí)變性，同時(shí)傳統(tǒng)空壓機(jī)組所采用的間歇控制方式所需啟動(dòng)電流較大，會(huì)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)造成一定的載荷沖擊，對(duì)煤礦空壓機(jī)的正常運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)具備測(cè)量運(yùn)行狀態(tài)以及運(yùn)行參數(shù)功能的PLC系統(tǒng)，對(duì)風(fēng)包壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過PID模糊算法控制機(jī)組輸出功率，從而對(duì)空壓機(jī)組工作狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化和改善。

1 煤礦空壓機(jī)組工作原理

煤礦空壓機(jī)組主要由如下六部分組成包括：空壓機(jī)、空氣壓縮管道設(shè)備、冷卻循環(huán)設(shè)備、油氣分離設(shè)備、運(yùn)行監(jiān)測(cè)設(shè)備、輔助設(shè)備，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。地面空氣先經(jīng)過空濾器進(jìn)行雜質(zhì)顆粒濾除，電機(jī)帶活塞桿向下移動(dòng)，進(jìn)氣閥門打開，空壓機(jī)吸入空氣。活塞桿對(duì)空壓機(jī)吸入空氣進(jìn)行反向壓縮，止回調(diào)節(jié)閥動(dòng)作向機(jī)體進(jìn)行冷卻潤滑油噴射，然后再將混合油氣輸送到油氣分離設(shè)備。當(dāng)壓縮空氣和潤滑油分離后，空氣壓力超過系統(tǒng)設(shè)定值，那么球形閥就會(huì)自動(dòng)打開，在通過冷卻循環(huán)設(shè)備對(duì)壓縮空氣進(jìn)行冷卻干燥處理，最后將其輸送到礦井通風(fēng)管道中。為了保證井下機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行，必須要使煤礦空壓機(jī)組一直保持在待機(jī)開啟狀態(tài)。

圖1 煤礦空壓機(jī)組總體結(jié)果

2 煤礦空壓機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制方案

下頁圖2所示為煤礦壓縮機(jī)組變頻調(diào)速控制流程圖，其主要作用就是加強(qiáng)對(duì)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化和反饋。

圖2 煤礦空壓機(jī)變頻調(diào)速控制方案

對(duì)于空壓機(jī)的功率輸出，是以電機(jī)轉(zhuǎn)速以及風(fēng)包壓力作為反饋基準(zhǔn)，前一部分是將實(shí)測(cè)值和設(shè)定值之間的差值作為依據(jù)，在通過模糊控制器對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，然后對(duì)空壓機(jī)的輸出功率進(jìn)行確定，最后由變頻器對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)；后一部分是將實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速值和模糊控制器確實(shí)轉(zhuǎn)速值之間的差值作為依據(jù)，通過PID參數(shù)對(duì)空壓機(jī)功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。對(duì)于油氣分離、循環(huán)冷卻等諸多功能，基本上都是采用負(fù)反饋控制方式來使運(yùn)行參數(shù)保持正常：對(duì)油箱、壓縮氣體等溫度進(jìn)行監(jiān)控，通過循環(huán)冷卻功能來對(duì)溫度進(jìn)行抑制；對(duì)油氣分離過程中的空氣雜質(zhì)顆粒、空氣壓力以及油液位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以確保所有傳感器監(jiān)測(cè)值滿足設(shè)定值要求，從而使井下機(jī)械設(shè)備保持正常運(yùn)行。

2.2 PLC硬件設(shè)計(jì)

因?yàn)榭紤]到煤礦空壓機(jī)變頻調(diào)速控制方案和礦井風(fēng)動(dòng)負(fù)荷的自身特性，所以本PLC硬件在設(shè)計(jì)上特意采用上、下位機(jī)相協(xié)調(diào)的方式進(jìn)行架構(gòu)控制，其組成機(jī)構(gòu)如圖3所示。從圖3可知，上位機(jī)采用的是57-300型PLC系統(tǒng)，其核心為315-2DP型CUP，主要作用就是對(duì)煤炭生產(chǎn)設(shè)備機(jī)電控制系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)控，但對(duì)煤礦空壓機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速則是通過梯形圖程序和風(fēng)動(dòng)負(fù)荷共同作用對(duì)空壓機(jī)組輸出功率環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。下位機(jī)采用的是S7-200型PLC系統(tǒng)，其核心為226型CUP，將其和上位機(jī)連接在一起創(chuàng)建Profibus-DP總線。通過下位機(jī)對(duì)4臺(tái)空壓機(jī)以及輔助設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)還要對(duì)上位機(jī)所發(fā)送的調(diào)度指令進(jìn)行接受，以便通過57-200對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線整定，從而保證變頻調(diào)速得到有效實(shí)現(xiàn)。

圖3 PLC硬件結(jié)構(gòu)

下位機(jī)57-200的核心組成部分CUP為系統(tǒng)提供數(shù)字輸入量和輸出量分別為24點(diǎn)和16點(diǎn)，除此以外，還額外新增兩塊EM223方便下位機(jī)進(jìn)行犯點(diǎn)數(shù)字量輸出和輸入，其主要作用就是對(duì)空壓機(jī)各個(gè)開關(guān)觸點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過ET 200M對(duì)設(shè)備中壓縮氣體的壓力、溫度以及電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為了把分布式I/0嵌入到Profibus-DP總線中本系統(tǒng)特意采用IM153-1接口，根據(jù)礦井實(shí)際需求要對(duì)4臺(tái)空壓機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速所以本系統(tǒng)所選4臺(tái)選變頻器皆為MM430系列，其中2臺(tái)額定功率為200 kW，另外2臺(tái)額定功率為250 kW。因?yàn)橄挛?7-200自身屬性限制最多只能供31臺(tái)變頻器使用，所以需要借助MM430變頻器和RS-485通信對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行交互。為了保證空壓機(jī)變頻調(diào)速的正常運(yùn)行，變頻器需要先經(jīng)過斷路器、然后經(jīng)過接觸器、其次經(jīng)過濾波器，最后在經(jīng)過電抗器連接電網(wǎng)。與此同時(shí)，為了減小變頻器對(duì)其他運(yùn)行設(shè)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(shè)計(jì)

PLC程序主要由兩大部分共同組成，第一部分是上位機(jī)梯形圖程序；第二部分是下位機(jī)梯形圖程序。其中上位機(jī)57-300是通過SIMATIC STEP7V5.2平臺(tái)進(jìn)行程序開發(fā)，而下位機(jī)57-200則是通過SIMATICSTEP 7 Micro/WIN V4.0平臺(tái)進(jìn)行程序開發(fā)。無論上位機(jī)程序還是下位機(jī)程序都由如下三部分組成：循環(huán)組織模塊OB1、子程序功能模塊、中斷組織模塊。通過循環(huán)組織模塊OB1對(duì)子程序功能模塊進(jìn)行調(diào)用，此時(shí)OB1優(yōu)先級(jí)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(shí)現(xiàn)。在上位機(jī)端系統(tǒng)中，57-300主要作用就是讓模糊控制得到實(shí)現(xiàn)，換而言之，就是通過OB100組織模塊中的FB1功能，對(duì)FC1～FC4子程序分別進(jìn)行運(yùn)算，其具體計(jì)算流程圖如圖4所示。上位機(jī)57-300和下位機(jī)57-200通信，就是將變頻調(diào)速過程中所需要使用的PID參數(shù)分別傳遞到上位機(jī)DB3數(shù)據(jù)模塊中，在通過I/0 ET200M模塊對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速按采樣時(shí)間進(jìn)行獲取，最后將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過總線傳遞給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；首先監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過FC1子程序基本運(yùn)算后，可以得到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差值e和誤差變化率ec，然后在對(duì)e和e進(jìn)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(jī)DB1數(shù)據(jù)模塊中；然后將DB1中的e和ec經(jīng)過FC2子程序模糊化處理，然后得到E和Ec并將數(shù)據(jù)傳遞到DB1數(shù)據(jù)模塊中；其次將E和Ec經(jīng)過FC3子程序處理，得出模糊控制量并將數(shù)據(jù)傳遞到DB1數(shù)據(jù)模塊中；最后將模糊控制量經(jīng)過FC4子程序模糊處理，得到模糊控制PID參數(shù)，在對(duì)參數(shù)是否超限進(jìn)行判斷。如果超限，那么就將超限變量作為限值的下限，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)端系統(tǒng)中，57-200主要作用就是讓PID控制和變頻調(diào)速得到實(shí)現(xiàn)，通過OB1組織模塊讓油氣分離、潤滑冷卻、循環(huán)水冷以及變頻在線監(jiān)控得到實(shí)現(xiàn)，在將上位機(jī)中所儲(chǔ)存的PID參數(shù)通過OB35組織出傳遞到S7-200中，以此根據(jù)礦井風(fēng)動(dòng)載荷來對(duì)變頻器輸出功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。當(dāng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始操作后，按照OB1循環(huán)組織模塊對(duì)故障報(bào)警、采樣等子程序進(jìn)行循環(huán)調(diào)度，并根據(jù)自動(dòng)控制程序要求對(duì)上位機(jī)PID參數(shù)進(jìn)行輸出，在經(jīng)過OB35組織模塊對(duì)PID執(zhí)行控制，從而達(dá)到變頻調(diào)速目的。

3 結(jié)語

根據(jù)礦井風(fēng)動(dòng)載荷動(dòng)態(tài)變化，上位機(jī)57-300通過模糊計(jì)算法對(duì)空壓機(jī)的輸出功率進(jìn)行確認(rèn)，同時(shí)還對(duì)下位機(jī)57-200所傳遞的PID參數(shù)進(jìn)行在線整定。下位機(jī)為空壓機(jī)組提供安全可靠的變頻調(diào)速設(shè)置，通過PID參數(shù)對(duì)空壓機(jī)組輸出功率進(jìn)行優(yōu)化，以此保證風(fēng)包壓力始終處于恒定狀態(tài)。此系統(tǒng)運(yùn)行不僅安全可靠，而且還能根據(jù)礦井風(fēng)動(dòng)負(fù)荷的變化對(duì)空壓機(jī)組的輸出功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，因此對(duì)電能損耗起到很大的改善作用。同時(shí)此系統(tǒng)還能對(duì)空壓機(jī)組故障以及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)控，為設(shè)備后期維修保養(yǎng)提供了便利。