空压机变频调速控制系统的设计

栾绍慧，朱进良，张杰琨

（山东黄金股份有限公司新城金矿，山东 莱州 261400）

空气压缩机简称空压机，是一种用来压缩气体或传输气体的机械设备，在金属矿山上具有非常重要的作用，不但可以保障金属矿山的正常作业，而且可以在矿井下发生重大事故时为工作人员保驾护航。但是，传统空压机主要采用人工操作或继电器控制方式，由于金属矿山复杂的环境，需要空压机全天不间断运行，使得空压机长期处于空载或轻载情况，导致供气压力不稳定，增大了系统能耗。改变空压机控制方式，降低能耗，提高其自动化水平已经是大势所趋。为此，本文将高压变频技术引入了空压机控制系统中，取代原有工作方式，并结合传感器检测技术、计算机技术对其进行改造，提出一种新型的金属矿山空压机变频调速系统。

1 空压机的概述

1.1 空压机的分类

根据空压机的工作原理可将其分为容积式空压机和速度式空压机。其中，容积式空压机是将空气压缩后使其气体的动能得到增加，而后将空气动能转换为压力能；容积式空压机包括有往复式和旋转式。速度式空压机通过涡轮旋转使得空气获得较大的动能，进而使气体的动能变成势能；速度式空压机包括有离心式、轴流式等。

本文所研究的空压机类型为螺杆式空压机，属于容积式空压机的一种。该空压机具有可靠性高、维修方便、适应性强等优势。但是，螺杆式空压机在工作时噪声较大，且其工作时需各种辅助设备进行配合，导致螺杆式空压机的体积较大。

1.2 空压机在应用中存在的问题

空气进入系统需经过滤器消除其中的杂质和灰尘，经过滤的空气与润滑油混合后进入压缩主机，而后被压缩的混合气体经两次油气分离后待其被压缩到0.45MPa 时，最小压力阀被打开，流入冷却器中等待使用。

（1）由于空压机控制系统的滞后性导致其在加载阶段会消耗大量的电能；卸载时，空压机自动打开卸荷阀使得电机空转，期间未向工作面输送压力，造成能量的浪费。经统计，空载时能耗约为满载状态时的40%左右。

（2）空压机启动时瞬时大电流会对电网造成冲击，从而影响整个工作面设备运行的安全性。

（3）当前空压机控制系统主要依靠机械部件对其压力进行控制，存在控制滞后性大、压力波动较大，使得系统输出的压力不稳定。

2 系统硬件构成分析

所设计的基于变频工艺的空压机调速系统主要硬件构成为：PLC 控制器型号为EPEC6100，该型号设备具备数量丰富的数模转换接口且能够支持CAN、CanOpen 等多种通讯协议，可有效满足井下生产需求；变频装置采用罗滨康系列，其能够进行四象限运转，可支持转速/转矩或V/f（电压/频率）等不同控制模式，作业稳定电压为6kV，功率为370kW；空压机采用型号为ML300-2S 的螺杆式空压机，压力传感装置采用型号为GYZ2的矿井本质安全型感应装置，作业电流介于4mA ～22mA 之间，量程值最大不超过1MPa。

3 软件设计分析

3.1 主程序分析

作业时，在设备通电后，系统先进行初始化操作，主要是将运行需使用变量和新开辟存储空间进行初始化。同时，通过系统通讯程序进行变频装置与PLC 装置间的联系，也只有完成两者的通讯联系，才能实现PLC 控制器对空压机的操控。而为了确保通讯的有效性和稳定性，应当通过心跳机制对通讯运行有效性进行实时监测。此外，在变频控制过程中，应当在一个空压机运行频率达到上限后立即开启下一个空压机，并对其运行频率进行实时操控，从而实现对其速度的有效调整，确保储气管道压力能够始终在安全范围内。而在空压机运行过程中，一旦监测到系统存在故障隐患，则会立即发出停机指令，并发出预警信号，提醒作业人员及时处理故障。

3.2 变频装置控制子程序分析

作业时，先启动第一组变频-空压机组，初始变频器运行频率为0Hz，压力监测装置监测到该数值，判定其未达到规定数值，便会增加变频装置作业频率，进而加快空压机运行频率，使得储气管道压力逐渐增加。而当变频装置运行频率达到阈值后，则会操控相应空压机保持工频运行，继而启动下一个变频-空压机组。当储气管道压力达到规定数值后，变频装置会逐渐降低运行频率，直至小于下限后停止空压机运行，同时对其自身进行复位。此外，当PLC 装置发现变频装置运行中存在故障时，会马上进行相应操作，避免故障扩大。

3.3 通讯子程序分析

对于空压机调速系统而言，CanOpen 通讯协议的功能主要是完成变频装置与PLC 控制器之间的数据传输和指令传递。该通讯连接的构建严格按照相关规定执行，首先构建四组TPDO1 ～TPDO4数据对象，接着建立MNT-Error-Control连接，而在构建相关连接的同时需同步完成通讯端口、通讯ID、波特率、操作模式等不同作业参数的设置。在通讯子程序运行过程中，为了确保数据传输的真实、有效，在对CanOpen 通讯数据进行打包或解析操作时，必须严格注意字节序的问题，确保一个CanOpen 通讯数据中8 个字节数据存放位置的正确性。这是因为在数据存储上，存在将高字节数据存放在高位或存放在低位两种可能性。例如：一段CanOpen 通讯数据为0x3120，那么，在存储时可能存在类似0x31、0x20 的存储形式，也可能存在类似0x20、0x31 的存储形式，必须对其进行严格把控，方能确保数据传输的有效性。除此之外，系统还必须对CanOpen 通讯连接的有效性进行实时监测，一旦出现3 次无法有效建立的情况，则表明通讯发生故障，需立即进行维修。

4 单台空气压缩机硬件系统选型与设计

4.1 PLC 控制系统选型

PLC 控制系统需要同时对模拟量和数字量进行处理，根据本系统所要处理的参数数量需求，选用西门子S7-200 系列PLC。中央数据处理单元采用CPU226 模块，该模块运行速度快，可扩展性强，拥有数字输入24 路、数字输出16 路，完全能够满足空压机控制系统的输出控制以及监视输入信号的功能。模拟量输入单元选用S7-200 型的EM231 模块，其拥有四通道模拟输入。为增强输入信号的抗干扰能力，采用差分和隔离式，同时该模块分辨率为12 位，模数转换速率为5μA，测试精度上完全能够满足控制系统对空压机排气压力和温度的检测需求。

4.2 变频控制系统选型与设计

本文将高压变频调速技术引入了空压机控制系统中，将压力变送器采集到的压力信号作为反馈信息，通过PLC 实现变频器以PID 控制方式调节空气压缩机恒压供气运行，同时达到节能降耗的目标。金属矿山上一般使用螺杆式空气压缩机进行工作，其基本参数为额定电压380V，额定电流440A，频率50Hz，功率220kW。基于此，选用丹弗斯变频器VLT6000，额定功率为250kW，并采用“一拖多”运行方式，该变频器适用于空气压缩机这种重载启动的装置，安全可靠性高，易于控制。

为避免短路或过载现象对变频器造成损坏，采用RS3 系列熔断器作为短路保护。RS3 系列熔断器适用于交流电路，要求额定电压不超过750V，频率为50Hz，可用于可控硅元件及其组成的成套装置的短路或过载保护。

4.3 压力变送器选型

压力变送器主要用于检测排气口的风压大小，以模拟量的形式输入到PLC 控制系统中，为PLC 智能调节变频器频率提供一个反馈信息，最终使空压机输出的风压信号变为可调。根据该系统的设计需求，选用HX-T61 扩散硅压力变送器，该压力变送器是一种本质安全型防爆变送器，自带不锈钢隔离膜片，其可靠性高、小巧便携、测量范围宽，适用于一般爆炸性环境条件。

4.4 温度变送器选型

温度变送器主要用于检测空压机的排气温度值，一旦该温度值超过设定值，则启动报警功能，若发生严重超温状态，则关闭系统开启保护功能。井下空压机与井上空压机对于报警阈值的要求不同。本系统选用RWB 型温度变送器进行温度检测，该型号变送器由温度传感器、信号转换放大模块组成，可与显示设备以及其他控制设备配套使用，内置热电阻和热电偶作为测温元件。具体工作原理为：由测温元件检测温度信号，然后进行稳压滤波、运算放大，再经非线性校正电路校正，转换成与温度成线性关系的4mA ～20mA 标准电流信号输出。

5 结论

空压机作为金属矿山生产中部分生产设备有效运转的关键保障，确保其运行的持续、稳定、有效，对矿井生产的高效开展意义重大。特别是实现对其运行功率的智能调控，不仅可以降低能耗，还可以减少设备磨损，延长使用周期，对矿井综合效益提升具有重要意义。有鉴于此，矿井管理者必须高度重视相关问题，在生产实践中积极引进先进技术手段，开展空压机运行的优化改良，在确保作业有效性的同时实现设备性能的提升，为矿井现代化发展提供助力。