基于PLC的壽力空壓機(jī)變頻改造的實(shí)現(xiàn)

李 達(dá)王衛(wèi)華趙慶云

（1.天津金牛電源材料有限責(zé)任公司，天津 300400；2.中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院，天津 300131）

?

基于PLC的壽力空壓機(jī)變頻改造的實(shí)現(xiàn)

李 達(dá)1王衛(wèi)華1趙慶云2

（1.天津金牛電源材料有限責(zé)任公司，天津 300400；2.中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院，天津 300131）

摘 要：空壓機(jī)變頻改造技術(shù)應(yīng)用廣泛，原理也易于理解，但由于應(yīng)用工況不同，不同空壓機(jī)廠家的控制電路不同。因而，各個(gè)空壓機(jī)變頻改造系統(tǒng)的特點(diǎn)不盡相同。美國壽力空壓機(jī)質(zhì)量穩(wěn)定，市場(chǎng)占有率高，其微型電腦控制器功能強(qiáng)大，集成度高。系統(tǒng)將兩臺(tái)75kW壽力空壓機(jī)聯(lián)機(jī)運(yùn)行，并通過RS485通信端口讀取空壓機(jī)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控。變頻改造后，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著，具有一定的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：變頻改造 S7-224XP 壽力空壓機(jī)

引言

空壓機(jī)在工廠應(yīng)用廣泛，屬于重要設(shè)備。對(duì)已有空壓機(jī)進(jìn)行變頻改造，可以實(shí)現(xiàn)恒壓供氣，減少空載運(yùn)行的電量消耗，降低設(shè)備運(yùn)行噪音，減少頻繁加卸載的機(jī)械沖擊等。由于變頻空壓機(jī)成本較高，目前各個(gè)企業(yè)仍普遍采用工頻空壓機(jī)的運(yùn)用。但是，空壓機(jī)變頻改造市場(chǎng)巨大，變頻改造技術(shù)值得進(jìn)一步推廣。

1 系統(tǒng)背景

公司動(dòng)力車間現(xiàn)有2臺(tái)75kW美國壽力空壓機(jī)，計(jì)劃一用一備。但隨著用氣量的加大，一臺(tái)空壓機(jī)已無法滿足使用。然而，兩臺(tái)空壓機(jī)一起開，供氣量又遠(yuǎn)大于需求力量。再加上空氣儲(chǔ)罐儲(chǔ)氣量有限，造成兩臺(tái)空壓機(jī)頻繁加卸載。加卸載周期基本為加載50s，卸載20s，非常不利于設(shè)備運(yùn)行。當(dāng)空氣壓縮機(jī)卸載運(yùn)行時(shí)，空壓機(jī)的電流隨著壓力降低而逐步下降，但最低也約為滿負(fù)載的60%。由于部分電量是被浪費(fèi)掉的，因此對(duì)其進(jìn)行變頻改造就有了節(jié)能空間。因而，決定用PLC控制變頻器對(duì)兩臺(tái)空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，并通過RS485通信端口讀取兩臺(tái)空壓機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）控制方案總體設(shè)計(jì)。美國壽力空壓機(jī)可設(shè)置加卸載壓力值。當(dāng)空氣壓縮機(jī)的壓力達(dá)到卸載壓力值時(shí)，壓力調(diào)節(jié)器開關(guān)跳開，放空電磁閥失電，控制氣直接進(jìn)入進(jìn)氣閥，將進(jìn)氣口關(guān)閉，此時(shí)機(jī)器在較低的背壓下空轉(zhuǎn)。當(dāng)空氣壓縮機(jī)的壓力降到加載壓力值時(shí)，再將進(jìn)氣提升閥打開。由于儲(chǔ)罐相對(duì)較小，儲(chǔ)氣量不大，導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)已加載儲(chǔ)罐壓力就高，一卸載儲(chǔ)罐壓力就低，造成頻繁卸載和加載，增加空壓機(jī)的機(jī)械損耗，縮短設(shè)備的使用壽命。系統(tǒng)對(duì)空壓機(jī)原有的控制程序及溫度、壓力報(bào)警不作改動(dòng)，保留原有加卸載參數(shù)值，將輸出壓力設(shè)定在上下限之間，使空壓機(jī)一直處于加載狀態(tài)進(jìn)行變頻調(diào)速。

空壓機(jī)原有的啟動(dòng)式為“星—三角”減壓起動(dòng)。起動(dòng)時(shí)，瞬間電流仍然很大，可高達(dá)電機(jī)額定電流的6～7倍，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的穩(wěn)定及其他用電設(shè)備的運(yùn)行安全［1］。改造后，將變頻器串入電機(jī)的主回路中，將原有的“星—三角”啟動(dòng)電路改為三角形電路。改變運(yùn)行參數(shù)設(shè)置，將空壓機(jī)的控制模式改為“遙控模式”，并將控制器輸出端子的319、320引出，接在小型繼電器的常開點(diǎn)上，由PLC控制小型繼電器，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)遙控啟/停。

將變頻器由面板控制改為端子控制，由外部4～20mA電流信號(hào)控制轉(zhuǎn)速快慢?？諌簷C(jī)不允許長時(shí)間在低頻下運(yùn)行，因而變頻器的頻率下限設(shè)為30Hz。將壓縮空氣儲(chǔ)罐的壓力引至PLC，根據(jù)儲(chǔ)罐壓力大小來調(diào)節(jié)空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速。兩臺(tái)空壓機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)先啟動(dòng)1#空壓機(jī)。當(dāng)一臺(tái)空壓機(jī)滿足不了壓力要求時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)2#空壓機(jī)。兩臺(tái)變頻器的頻率變化保持一致，根據(jù)壓力變化同步升高或降低。當(dāng)兩臺(tái)變頻器在30Hz低頻運(yùn)行時(shí)，排氣壓力仍能達(dá)到設(shè)定值，這時(shí)1#空壓機(jī)的變頻器停機(jī)。當(dāng)這種狀態(tài)維持一定時(shí)間后，則認(rèn)為單臺(tái)空壓機(jī)已能夠滿足工況需求，則1#空壓機(jī)遙控停機(jī)，保持一臺(tái)空壓機(jī)變頻運(yùn)行。當(dāng)排氣壓力降低，一臺(tái)空壓機(jī)無法滿足時(shí)，再啟動(dòng)1#空壓機(jī)，回到兩臺(tái)機(jī)器變頻運(yùn)行的狀態(tài)。此外，系統(tǒng)設(shè)置觸摸屏，實(shí)時(shí)顯示兩臺(tái)空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

（2）設(shè)備選型及參數(shù)設(shè)置。西門子可編程邏輯控制器S7-224XP，性價(jià)比高，集成兩個(gè)串口，通信功能強(qiáng)，可通過兩個(gè)串口分別與兩臺(tái)空壓機(jī)進(jìn)行通信，并選擇2通道模擬量輸出的EM232擴(kuò)展模塊作為4～20mA電流輸出。在壓縮空氣儲(chǔ)罐上安裝壓力變送器，將儲(chǔ)罐壓力信號(hào)連接至控制器集成的AI輸入通道。

變頻器選擇施耐德ATV61HD90N4，因空壓機(jī)的負(fù)載較大，考慮到長期穩(wěn)定使用，變頻器要選用比電機(jī)功率大一級(jí)的，以免空壓機(jī)啟動(dòng)出現(xiàn)頻繁跳閘的情況。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，ATV61HD75N4變頻器也能使用，但需要將“電機(jī)控制”菜單中的“電機(jī)控制類型”設(shè)為“SVC V”，即開環(huán)電壓磁通矢量控制，方可正常啟動(dòng)。ATV61HD90N4的“電機(jī)控制類型”設(shè)為“節(jié)能”，即可滿足順利啟動(dòng)。其他的參數(shù)設(shè)置兩種型號(hào)變頻器都一樣，即都設(shè)為“2線控制”“宏設(shè)置”，參數(shù)選擇“泵和風(fēng)機(jī)”等。變頻器的端子排接線必須根據(jù)參數(shù)設(shè)備進(jìn)行接線。這里，將4～20mA模擬量輸入接至AI2。在輸入/輸出端子排上，將“LI”用作變頻器的啟/?？刂?，“L4”為故障復(fù)位旋鈕輸入，將“L3”和“+24”進(jìn)行短接，使AI2模擬量輸入有效，如此便可實(shí)現(xiàn)變頻的遠(yuǎn)程控制。

觸摸屏則選擇北京昆侖通態(tài)的TPC1061Ti，并通過串口與S7-224XP進(jìn)行通信。

圖1 通信程序流程圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（1）控制程序設(shè)計(jì)?？刂瞥绦蛑饕菍?duì)采集的氣體儲(chǔ)罐壓力值進(jìn)行判斷。當(dāng)壓力低于0.68MPa時(shí)，如果1#、2#空壓機(jī)都沒啟動(dòng)，則啟動(dòng)1#空壓機(jī)高頻運(yùn)行；當(dāng)一臺(tái)空壓機(jī)無法滿足時(shí)，啟動(dòng)2#空壓機(jī)，從30Hz開始每2s增加1Hz；當(dāng)儲(chǔ)罐壓力大于0.72MPa時(shí)，每2s兩臺(tái)變頻器頻率同步減少1Hz；儲(chǔ)罐壓力小于0.7MPa時(shí)，每2s兩臺(tái)變頻器頻率同步增加1Hz；儲(chǔ)罐壓力在0.7～0.72MPa之間時(shí)，保持頻率不變。如果兩臺(tái)變頻器頻率在低頻30Hz時(shí)壓力超過0.73MPa并保持3min，則1#空壓機(jī)變頻器停機(jī)；停機(jī)后6min內(nèi)壓力仍大于0.73MPa，則1#空壓機(jī)遙控停機(jī)，并關(guān)閉出口電動(dòng)閥門。當(dāng)壓力小于0.7MPa時(shí)，1#空壓機(jī)遙控開機(jī)，1#變頻器啟動(dòng)。以上壓力設(shè)置值及時(shí)間設(shè)置值均根據(jù)實(shí)際工況反復(fù)調(diào)試。工況不同，設(shè)置值則需做適當(dāng)調(diào)整。

由于實(shí)際用氣量不穩(wěn)定，變化較快，因此將壓力控制在較小范圍內(nèi)比較容易實(shí)現(xiàn)。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，這種控制方法簡單有效，響應(yīng)也較快。

（2）組態(tài)軟件設(shè)計(jì)。觸摸屏選用北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化科技軟件公司的產(chǎn)品——TPC1061Ti，集成有以太網(wǎng)口、串口，通信功能強(qiáng)。組態(tài)軟件是MCGS嵌入版7.7。在MCGS軟件里設(shè)置觸摸屏與S7-224XP的通信參數(shù)，即在“設(shè)備窗口”里建立“通用串口父設(shè)備”，然后建立“西門子_ s7200PPI”子設(shè)備。進(jìn)入子設(shè)備設(shè)置“設(shè)備地址”等參數(shù)，并關(guān)聯(lián)各個(gè)變量與通道。這樣組態(tài)畫面中的各個(gè)溫度、壓力等變量便與S7-224XP實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，實(shí)時(shí)顯示。

（3）S7-224XP與空壓機(jī)的自由口通信設(shè)計(jì)。S7-224xp通過集成的串口與空壓機(jī)控制器上的RS485端口進(jìn)行通信。這里，采用1#通信端口即順序通信方式，只需要一根通信線纜將兩臺(tái)空壓機(jī)串聯(lián)，每臺(tái)空壓機(jī)設(shè)定不同的通信地址。S7-224xp向一臺(tái)空壓機(jī)發(fā)送讀取參數(shù)的命令，返回運(yùn)行參數(shù)后，再向另一臺(tái)空壓機(jī)發(fā)送讀去參數(shù)的命令。一次交替發(fā)送接收、接受數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。通信格式如表1所示［2］。

表1 通信格式

以讀取2#空壓機(jī)的運(yùn)行參數(shù)為例進(jìn)行說明。S7-224xp發(fā)送命令“02I55”，其中“02”表示2#空壓機(jī)的機(jī)組編號(hào)，“I”表示讀取的運(yùn)行信息類型，“55”是校驗(yàn)碼。2#空壓機(jī)收到該命令后，發(fā)送“02i105，102，00，00，90，22，00，00，00，00，35280，33794，L，CE4”，返回的狀態(tài)信息以逗號(hào)為分割，從左到右依次為排氣壓力、管線壓力、油過濾前壓力（未采集）、有過濾后壓力（未采集）、進(jìn)口溫度、出口溫度、噴油溫度（未采集）、級(jí)間溫度（未采集）、（未采集）、（未采集）、運(yùn)行時(shí)間、加載時(shí)間、運(yùn)行狀態(tài)、模式。這里，排氣壓力為105PS，約為7.39bar；管線壓力為102PSI，約為7.03bar；進(jìn)口溫度為90℃；出口溫度為22℃；運(yùn)行時(shí)間為35280h；累計(jì)加載時(shí)間為33794；運(yùn)行狀態(tài)“L”表示“加載狀態(tài)”；運(yùn)行模式“C”表示空壓機(jī)處于連續(xù)運(yùn)行模式，可以遙控起停。

S7-224XP的自由口通信指令主要用到自由口發(fā)送指令XMT，自由口接受指令RCV。用特殊標(biāo)志寄存器SMB30（端口0）和SMB130（端口1）的各個(gè)位設(shè)置自由口模式，配制自由口通信參數(shù)［3］。近幾年，西門子推出的S7-1200系列控制的自由口通信設(shè)置比較簡單，只需要在通訊模塊屬性里進(jìn)行通信參數(shù)、特殊的起始字符等設(shè)置，不再需要編制通訊程序進(jìn)行通信中斷編程等。相對(duì)于S7-200系列，它大大節(jié)省了編程的工作量，但價(jià)格比S7-200系列要貴。考慮到改造成本，這里仍然選用S7-200系列的產(chǎn)品。

S7-224XP控制器發(fā)送的“01I56”命令，對(duì)應(yīng)的16進(jìn)制碼為“02 30 31 49 35 36 0D 0A”。將這些固定的命令存儲(chǔ)在VB20-VB27中，空壓機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在VB200-VB280中；S7-224XP發(fā)送的“02I55”對(duì)應(yīng)的16進(jìn)制碼為“02 30 32 49 35 35 0D 0A”，將這些命令儲(chǔ)在VB40-VB47中，相應(yīng)的返回?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在VB400-VB480中。通信程序流程圖如圖1所示。

4 結(jié)論

本控制系統(tǒng)已投入實(shí)際應(yīng)用，運(yùn)行穩(wěn)定。經(jīng)比較，每月可節(jié)約電費(fèi)1萬度左右，6個(gè)月可收回改造成本。改造后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了恒壓供氣。由于空壓機(jī)不是工頻運(yùn)行，設(shè)備噪音明顯降低，空壓機(jī)運(yùn)行溫度也明顯下降。特別是夏季高溫時(shí)，設(shè)備工頻運(yùn)行溫度經(jīng)常超過上限110℃，造成報(bào)警停機(jī)，而改造后溫度基本在90℃左右，沒有出現(xiàn)一次報(bào)警停機(jī)，運(yùn)行正常?？梢姡麄€(gè)系統(tǒng)改造成本低，使用效果好，具有一定的實(shí)用意義。

參考文獻(xiàn)

［1］梁艷娟.空壓機(jī)變頻改造節(jié)能技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2011，（7）：153-156.

［2］豪華型微電腦控制器I型順序控制及通訊協(xié)議手冊(cè)［M］.深圳壽力亞洲實(shí)業(yè)有限公司，2006.

［3］西門子（中國）有限公司.S7-200可編程控制器系統(tǒng)手冊(cè)［M］.北京：西門子（中國）有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)，2004.

The Realization Of Sullair Air Compressor Frequency Transformation Based On The PLC

LI Da1， WANG Weihua1， ZHAO Qingyun2
（1.Tianjin Jinniu Power sources Material CO.，LTO， Tianjin 300400；2.CNOOC Tianjin Chemical Research & Design Institute，Tianjin 300131）

Abstract:Air compressor frequency trans formation technique is applied widely. T he principle is easy to understand. But because of different application conditions， different compressor manufacturers control circuits， so characteristics of each compressor frequency transformation system is different. US Sullair air compressor quality is stable， market share is high. The miniature computer controller is powerful and high integration. The system integrates two 75kW Sullair air compressor， reading operating parameters via RS485 communication port .After the transformation， the system is stable， and the energy-saving effect is remarkable.

Key words:Frequency Transformation，S7-224XP，Sullair Air Compressor