煤矿空气压缩机变频控制系统的设计

黄 靖

（西山煤电集团东曲煤矿供应科， 山西 太原 030200）

引言

煤矿空气压缩机为井下机械设备以及风动设备提供压力气体作为动力，为了保障井下设备运行正常，煤矿空气压缩机需要持续运行以保持风包压力趋于稳定值，因此空气压缩机的运行状况与煤矿生产进程以及生产安全密切相关[1-2]。在实际生产过程中，为保证生产正常进行空气压缩机长时间运行，但凿岩机、风钻等设备的动力需要却是不断变化的，频繁功率调整造成了空气压缩机能耗较大，对电网有一定冲击，同时长时间运行造成故障率较高影响设备寿命以及可靠性，给企业造成了较大的经济损失[3-4]。本文针对这一现状，提出针对矿用空气压缩机的变频控制改造，利用变频器与PLC 的配合实现对空气压缩机的安全高效控制，在保证风包压力正常的情况下，降低设备能耗水平，减低故障率，提高设备可靠性、安全性以及经济性。

1 总体方案简介

空气压缩机在煤矿企业中应用广泛，而目前煤矿空气压缩机控制主要是通过设置储气最大压力值Pmax与最小压力值Pmin，利用进气阀门控制使得储气罐压力保障在Pmax与Pmin范围之间，当压力低于系统设定Pmin值时，进气阀打开，空气压缩机开始满负荷运行，当压力高于Pmax时，进气阀关闭，同时空压机开始低负荷运行。变频调速技术则利用变频器对空气压缩机的交流供电频率进行变换，达到调整电机转速的目的，由此可以改变空气压缩机的功率，实现负荷快速平稳变换，减少对电网的冲击，降低机械冲击，节省能耗，降低运行成本。系统整体结构连接如图1 所示。

图1 系统的整体结构

2 系统的整体设计

煤矿空气压缩机为煤矿井下设备提供必要动力，而工矿企业对生产安全以及系统可靠性要求较高。本文在综合考虑了应用环境以及开发成本在内的多方面因素，决定在原有设备的基础上进行变频调速改造。选用在工业控制中应用广泛的PLC 作为控制器，并结合变频器实现对空气压缩机电动机的变频调速控制。

变频器利用变频技术与微电子技术对电机的工作电源频率进行电压、频率变换实现对电机的控制，主要结构包括整流器、逆变器、滤波器、制动单元、驱动单元、检测装置以及微处理器[5-6]。变频器的工作原理依据是电机的转速n与电源输入频率f存在n=的关系，其中p为电机磁极的对数，s为电机的转差率，由此不难发现电动机转速与供电的频率存在正比关系，可以通过变频器调整空气压缩机电动机工作交流电源来实现对转速的控制[7-8]。而空气压缩机电机转速n与空压机功率p的一般关系为其中T为空气压缩机转矩，空气压缩机目的在于保障压力平衡，一般为恒转矩负载，因此可以通过变频调速控制实现对矿用空气压缩机的功率控制节能改造。变频器结构原理如图2 所示。

图2 变频器结构原理图

2.1 系统硬件的选型

系统由空气压缩机、管道、PLC、变频器、工控机、传感器、通信网络等共同组成。其中PLC 选用西门子公司SIMATIC S7-200 系列小型PLC，选择CPU224 型号，该型号PLC 结构紧凑，功能强大稳定，能够满足系统对功能性以及可靠性的要求。变频器选用ABB 公司设计生产的新一代ACS800 型号，采用直接转矩控制（DTC），是目前比较先进的交流异步电机控制方式，可安装自定义模块，具有显著的安全可靠性能。

2.2 变频调速控制系统的设计

煤矿空气压缩机一般布置在煤矿地面，工作过程中外界空气经由空气过滤器进入压缩机内部，由空气压缩机交流电动机驱动压缩螺杆旋转实现空气体积压缩，在此过程中系统会往压缩气缸内喷入冷却润滑油，达到一定压力的油气混合物经过油气分离装置实现分离，冷却润滑油可经处理后循环再利用，压力气体则经过冷却处理降温后进入储气罐或者供气管道。系统控制原理如图3 所示。

图3 系统控制原理图

为了保证系统的安全可靠，同时方便人机交互，利用工控机对空气压缩机系统工作情况进行监测控制。监控包括对控制过程以及设备运行状态的监测与预警。监测过程主要通过传感器检测设备测点的温度和电流等相应参数，经过A/D 转换、数据预处理，传输给控制器处理程序，监测模块判断设备的工作情况，据此执行不同操作，并完成可视化工作。

3 系统网络通信

系统以PLC 作为空气压缩机自动化控制系统的核心，结合变频器共同完成控制操作。网络通信主要利用工业现场总线实现设备之间连接与通讯。S7-200 与ACS800 通过PROFIBUS-DP 通讯协议实现连接通信。监测模块对模拟量信号进行检测、采集，由通讯扩展模块送至PLC 软件程序进行数据预处理、转换运算，判断设备运行正常与否，异常情况下会启动报警装置。上位机则通过TCP/IP 通信协议实现与PLC 的以太网连接通讯。

4 系统软件程序的设计

煤矿空气压缩机的变频控制离不开软件程序，由于系统选用西门子S7-200 PLC，所以选用西门子公司专门针对S7-200 系列PLC 设计开发的工业化编程工具STEP7-Micro/WIN，用以完成对软件程序的设计创建以及修改测试。该工具简单易学、可较快为工程技术人员掌握，适用S7-200 系列所有产品的软件编程，支持LAD、FBD 以及IL 三种编程语言，而且可以互相切换。本文在综合考虑了开发成本以及周期的情况下，选用了工程技术人员较容易掌握的LAD 语言进行程序设计编程。根据系统实际需求对软件流程进行了编写，并且利用STEP7- Micro/WIN完成了对程序编写, 利用其中软件工具对程序进行了必要的调试和测试，对使用过程软件程序的运行状态、程序扫描情况进行了验证测试。针对工控机的编程则利用国产KingView 软件实现了监控系统的组态，进行设备的连接、通讯协议选择、监测界面的设计、数据库的构建，并完成了系统的调试与测试。系统监测模块程序流程图如图4 所示。

图4 监测模块程序软件流程图

5 结语

本文设计的一套主要针对煤矿空气压缩机的变频控制系统，通过PLC 搭配变频器实现对空压机的节能高效控制，能够有效降低空气压缩机在工作过程中的能耗，减少设备频繁功率调整对电网的冲击，同时实现准确控制有效延缓设备寿命，保障空气压缩机工作的安全性、可靠性以及稳定性，应用前景广阔。