空壓機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王成龍

（山煤集團(tuán)煤業(yè)管理有限公司， 山西 太原 030006）

引言

空氣壓縮機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中存在耗能大、維修程序復(fù)雜、維修成本高等問題，而且空壓機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中處于空載運(yùn)行的狀態(tài)比例較大，造成大量人力、物力的浪費(fèi)，大大增加了生產(chǎn)成本，造成不必要的浪費(fèi)

[1]。傳統(tǒng)空壓機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用繼電器+邏輯控制器的組合，存在可靠性差、維護(hù)困難等特點(diǎn)。因此，需要對(duì)空壓機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行改造，以保證其滿足生產(chǎn)需求的同時(shí)消耗最少的能量。

1 空壓機(jī)的概述

1.1 空壓機(jī)的分類

根據(jù)空壓機(jī)的工作原理可將其分為容積式空壓機(jī)和速度式空壓機(jī)。其中，容積式空壓機(jī)是將空氣壓縮后使其氣體的動(dòng)能得到增加，而后將空氣動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能；容積式空壓機(jī)包括有往復(fù)式和旋轉(zhuǎn)式。速度式空壓機(jī)通過渦輪旋轉(zhuǎn)使得空氣獲得較大的動(dòng)能，進(jìn)而使氣體的動(dòng)能變成勢(shì)能；速度式空壓機(jī)包括有離心式、軸流式等[2]。

本文所研究的空壓機(jī)類型為螺桿式空壓機(jī)，屬于容積式空壓機(jī)的一種。該空壓機(jī)具有可靠性高、維修方便、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。但是，螺桿式空壓機(jī)在工作時(shí)噪聲較大，且其工作時(shí)需各種輔助設(shè)備進(jìn)行配合，導(dǎo)致螺桿式空壓機(jī)的體積較大。

1.2 空壓機(jī)在應(yīng)用中存在的問題

如圖1 所示，空氣進(jìn)入系統(tǒng)需經(jīng)過濾器消除其中的雜質(zhì)和灰塵，經(jīng)過濾的空氣與潤滑油混合后進(jìn)入壓縮主機(jī)，而后被壓縮的混合氣體經(jīng)兩次油氣分離后待其被壓縮到0.45 MPa 時(shí)，最小壓力閥被打開，流入冷卻器中等待使用。目前，螺桿式空壓機(jī)應(yīng)用主要存在的問題總結(jié)如下：

圖1 螺桿式空壓機(jī)工作流程示意圖

1）由于空壓機(jī)控制系統(tǒng)的滯后性導(dǎo)致其在加載階段會(huì)消耗大量的電能；卸載時(shí)，空壓機(jī)自動(dòng)打開卸荷閥使得電機(jī)空轉(zhuǎn)，期間未向工作面輸送壓力，造成能量的浪費(fèi)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，空載時(shí)能耗約為滿載狀態(tài)時(shí)的40%左右[3]。

2）空壓機(jī)啟動(dòng)時(shí)瞬時(shí)大電流會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，從而影響整個(gè)工作面設(shè)備運(yùn)行的安全性。

3）當(dāng)前空壓機(jī)控制系統(tǒng)主要依靠機(jī)械部件對(duì)其壓力進(jìn)行控制，存在控制滯后性大、壓力波動(dòng)較大，使得系統(tǒng)輸出的壓力不穩(wěn)定。

2 空壓機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

為解決螺桿式空氣壓縮機(jī)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的弊端，本文采用PLC 控制器+變頻器的控制思路。其控制原理為由系統(tǒng)中的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)空壓機(jī)現(xiàn)場(chǎng)工作參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而后傳入至PLC 控制器中，根據(jù)控制需求得出相應(yīng)控制指令傳送至其調(diào)節(jié)器中，由變頻器控制電壓的頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)壓縮速度的調(diào)整[4]?？諌簷C(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如下頁圖2 所示。

如圖2 所示，空壓機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的組成主要可以分為可編程控制器（PLC）、變頻器以及各類監(jiān)測(cè)傳感器和巡檢儀?；赑LC 實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)多種控制模式的切換控制，基于變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)排風(fēng)量的控制。

3 空壓機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 空壓機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

空壓機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件組成及其相關(guān)通信關(guān)系如下頁圖3 所示。

如圖3 所示，變頻器對(duì)空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制；傳感器對(duì)空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并由巡檢儀傳送至PLC 控制器；PLC 控制器可實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)設(shè)備的啟?？刂疲簧衔粰C(jī)對(duì)PLC 控制器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，PLC 將所獲取的參數(shù)數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)[5]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)控制要求及環(huán)境特點(diǎn)，本變頻調(diào)速系統(tǒng)中所需的各類傳感器的選型結(jié)果如表1 所示。

圖2 空壓機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

圖3 空壓機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件關(guān)系

表1 變頻調(diào)速系統(tǒng)傳感器選型結(jié)果

3.2 變頻調(diào)速功能的設(shè)計(jì)

變頻器為實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)變頻調(diào)功能的核心，本系統(tǒng)選用變頻器的理由如下：變頻器有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能控制；變頻器的應(yīng)用能夠減少機(jī)械閥的開啟閉合次數(shù)，進(jìn)而間接提高機(jī)械部件的使用壽命；基于變頻器能夠?qū)崿F(xiàn)空壓機(jī)的軟啟動(dòng)，進(jìn)而減小了啟動(dòng)階段大電流對(duì)系統(tǒng)所造成的沖擊；從長(zhǎng)期角度考慮，變頻器的應(yīng)用能夠明顯達(dá)到節(jié)能的效果。

基于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制要求及應(yīng)用環(huán)境的分析，所選變頻器的型號(hào)為FR-A740-CHT，并將其與三菱公司的PLC 控制器配合使用?；谧冾l器實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)的“一控三”，此舉不但減少了設(shè)備費(fèi)用，還能夠?qū)崿F(xiàn)空壓機(jī)在變頻和工頻兩種方式下相互切換，接線圖如圖4 所示。

圖4 變頻調(diào)速功能實(shí)現(xiàn)的接線示意圖

根據(jù)所選變頻器的特征，為其配置三菱公司的PLC 控制器，具體型號(hào)為FX2n-64MR。

4 空壓機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

根據(jù)控制需求設(shè)計(jì)如圖5 所示的控制流程框圖。

圖5 變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件控制流程

如圖5 所示，首先啟動(dòng)變頻器而后啟動(dòng)1 號(hào)空壓機(jī)，若1 號(hào)空壓機(jī)電機(jī)頻率已達(dá)到上限值，而出風(fēng)口處的壓力仍然無法達(dá)到事先設(shè)定的壓力值，則將1 號(hào)空壓機(jī)切換至工頻狀態(tài)下運(yùn)行，同時(shí)將2 號(hào)空壓機(jī)切換至變頻狀態(tài)下運(yùn)行。當(dāng)2 號(hào)空壓機(jī)電機(jī)頻率運(yùn)行至極限值后其出口風(fēng)壓值仍無法滿足設(shè)定值要求，則將2 號(hào)空壓機(jī)切換至工頻運(yùn)行，3 號(hào)空壓機(jī)變頻啟動(dòng)。當(dāng)3 組空壓機(jī)系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，出風(fēng)口壓力逐漸增大其風(fēng)量逐漸減小。當(dāng)系統(tǒng)需完成任務(wù)后，按照啟動(dòng)先后次序一次關(guān)閉空壓機(jī)。在運(yùn)行期間，出現(xiàn)超溫、斷水等事故發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)另外一臺(tái)空壓機(jī)。

5 結(jié)語

空壓機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中由于其控制方式落后導(dǎo)致控制系統(tǒng)滯后，進(jìn)而使得在空壓機(jī)運(yùn)行期間無法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)控制需求對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，導(dǎo)致大量電能浪費(fèi)的問題。為此，將變頻器和PLC 控制器應(yīng)用于空壓機(jī)的控制系統(tǒng)中，使其能夠根據(jù)實(shí)際需求對(duì)其電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。