变频器在矿井空压机智能化控制改造中的应用

杜海江

摘 要：本文主要介绍矿井使用的空压机智能化改造实施方案及S7-200PLC在改造中的具体应用。

关键词：S7-200PLC;智能变频器;永磁同步电机;改造

目前矿井中使用的螺杆式空压机采用YB2-315M-2S三

相交流异步电机，为高耗能设备，且采用直起控制方式，需要人工现场操作，已不使用矿井发展需要。为实现矿井自动化、智能化，对空压机进行智能化控制改造。

1 改造实施方案

1.1 S7-200PLC

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC是专为工业环境应用而设计制造的计算机，S7-200PLC

是西门子公司的S7-200系列一体化紧凑型PLC，该PLC具备逻辑控制、定时控制、等控制功能;数据采集、存储与处理功能;通讯联网功能等，适应工业环节的应用，具有可靠性高、丰富的I/O接口模块、运行速度快能完成复杂的控制任务等特点。

1.2 ACS800变频器

ACS800变频器具备稳定的性能、丰富的组合功能、高性能的矢量控制技术、良好的动态特性及超强过载能力，允许四像限运行将其制动能量回馈电网。

1.2.1 ACS800变频器控制方式

ACS800可以接受来自控制盘或来自数字模拟输入口的启动、停止及给定信号，利用可选的现场总线适配器通过开放的现场总线连接控制单元，本传动单元亦可用与装有Drive Window的PC进行控制。

1.2.2 ACS800变频器具有可编程的模拟输入和模拟输出功能

ACS800有三个可编程的模拟输入端：一个电压输入端和两个电流输入端;标准情况下有两个可编程的电流输出端，模拟信号可以按一定比例的输出电机速度、输出电流。

1.3 智能变频器

利用S7-200PLC丰富的控制功能 以及可靠的通讯能力与ACS800变频器实现对接构成智能变频器。

1.3.1 ACS800变频器与PLC实现通信功能

只需激活外部串行通信并選择外部串行通信接口，参数设置COMM MODULE，S7-200PLC进行通信实现控制，通信速率设成19200即可。

1.3.2 ACS800变频器与PLC实现控制需求

PLC即通过通讯实现对ACS800变频器进行所需控制，又能通过网络实现数据远程的传输，实现网络自动化提供平台。

1.4 永磁同步电机应用

永磁同步电机原理及应用效能：螺杆式空压机采用永磁同步电动机进行工作，与原异步电动机相比区别在于永磁体替代励磁绕组进行励磁，送入三相交流电后产生一个以同步转速推移的旋转磁场，主极磁场随着旋转磁场同步转动。稀土永磁材料的磁性能优异，经过充磁后不在需要外部能量，就能建立很强的永久磁场。永磁电机因转子没有损耗，具有更高的效率，电机体积小重量轻、功率因数较高、调速范围宽、转动惯量小，可获得较高的加速度及过载能力。永磁式同步电机在螺杆式空压机中应用，提高技术装备性能和水平。

1.5 智能变频器控制永磁同步电动机应用

智能变频器控制永磁同步电动在空压机中应用：螺杆式空压机如直接采用永磁同步电机存在启动冲击，对泵及电机与泵体连接部分造成冲击，因此采用永磁同步电机智能变频控制能解决上述问题，使永磁同步电机充分发挥效能。同时利用智能变频器对永磁同步电机转速的调节，是最理想、最有前途的方案，除了具有卓越的调速性能之外，智能变频器还有显著的节能作用，同时还具有保护附属电气设备及避免直接启动给机械设备造成的冲击引起的机械故障。在变频系统中，在频率刚减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，转子绕组切割磁力线的方向相反了，转子电流的相位几乎改变了π （180°），使电动机处于发电状态，回馈电网。

2 改造后实现的功能

2.1 空压机智能控制

①运行模式包括“本地”和“自动”，可以按下“本地/远程”按钮调节运行模式。“本地”模式即电机运行后通过调节“+”，“-”修改电机运行频率。“远程”模式即PLC通过排气压力与加载压力和卸载压力进行比较，通过PID自动调节运行频率;

②在“自动”模式下，按“切换”键可选择“加载压力”或“卸载压力”，切换到对应选择，字体会变红色，然后按“+”或“-”修改“加载压力”或“卸载压力”;

③电机的启/停一般在远程控制，故障复位在操作员在驱动器上确认后按“复位”键恢复;

④当前压力<加载压力，则进入加载模式，PLC中Q0.3接通，电磁阀输出36V交流电;

⑤加载压力<当前压力<卸载压力，继续保持加载模式，Q0.3接通，电磁阀输出36V交流电;

⑥当前压力>卸载压力，进入卸载模式，电磁阀无输出，电机运行速率降为原来一半，若在2.5h后，当前压力>加载压力，则电机停止运行，直到当前压力<加载压力电机恢复“逻辑1”控制;

⑦ACS800变频器设定启动加速时间：变频器启动方式设定可有效避免直启对电网冲击，参数设置ACCEL TIME，现场设定20s;

⑧ACS800变频器设定停车方式：根据空压机螺杆泵运行工况要求，设定停车方式为自由停车方式，参数设置COAST。

2.2 空压机保护功能实现

2.2.1 ACS800变频器设定电机温度保护

设定温度极限值进行电机温度保护，变频器参数设置NO7I TEMP。

2.2.2 设定空压机空久停机功能

由S7-200PLC设定压力上值，当系统压力达到设定压力上限值时，式加载电磁阀断电，电机空载运行。运行到空载运行设定时间后，S7-200PLC输出给ACS800变频器停止指令，切断电机电源实现空久停机功能。当系统压力降到S7-200PLC设定压力下限值时，PLC输出给ACS800变频器启动指令，启动电机并加载空压机。

2.2.3 设定失水停机功能

由S7-200PLC自动检测冷却水压力，当冷却水压力低于设定压力值时，空压机不能启动并告警水压低。在空压机运行期间，当冷却水压力低压设定压力值时，空压机自动停机并告警失水停机故障。

2.3 空压机运行状态实时监控

2.3.1 现场实现运行状态实时监控

S7-200PLC通过串行接口与ACS800变频器通信读取相关数据，通过串行接口与触摸屏通信，将空压机运行的运行状态、告警记录等重要参数实时显示在触摸屏监视画面上。

2.3.2 空压机实现远程故障诊断、监控功能

S7-200PLC通过网络接口与网络交换机对接，通过局域网实现远程与控制中心实时通信，在上位机监控画面时显示空压机运行状态，发挥远程监控及故障诊断功能。

3 空压机改造后的控制方式

①检修控制方式：此方式下现场触摸屏上显示检修状态，便于现象人员安全检修操作。空压机本身、智能变频器及远程均不可对空压机进行启动;

②就地控制方式：此方式下即可在空压机本身启停，也可在智能变频器上操作。各种保护均能实现，此方式远程不可已操作;

③远程控制方式;通过控制中心操作平台可对现场空压机进行远程操作，实现远程启停机功能，并且支持就地和远程转换。

4 结论

改造后采用永磁同步电机（JBUF-132YC）替代老式交流异步电机降低电能消耗10%，单台空压机每年节电：132kW*

20h*365天*0.5元/kWh*10%=4.818万元;智能化变频器应用减小了电机启动对空压机冲击，同时降低了启动电流，作为节能应用与转速工艺控制中越来越重要的自动化设备，将得到了快速发展。实现了空压机智能化控制、远程网络控制、监控，为实现无人值守，减人提效提供了条件，此方案已成为矿井空压机技术改造发展必然趋势。