變頻器在礦井空壓機(jī)智能化控制改造中的應(yīng)用

杜海江

摘 要：本文主要介紹礦井使用的空壓機(jī)智能化改造實(shí)施方案及S7-200PLC在改造中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：S7-200PLC;智能變頻器;永磁同步電機(jī);改造

目前礦井中使用的螺桿式空壓機(jī)采用YB2-315M-2S三

相交流異步電機(jī)，為高耗能設(shè)備，且采用直起控制方式，需要人工現(xiàn)場操作，已不使用礦井發(fā)展需要。為實(shí)現(xiàn)礦井自動化、智能化，對空壓機(jī)進(jìn)行智能化控制改造。

1 改造實(shí)施方案

1.1 S7-200PLC

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）簡稱PLC是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的計(jì)算機(jī)，S7-200PLC

是西門子公司的S7-200系列一體化緊湊型PLC，該P(yáng)LC具備邏輯控制、定時(shí)控制、等控制功能;數(shù)據(jù)采集、存儲與處理功能;通訊聯(lián)網(wǎng)功能等，適應(yīng)工業(yè)環(huán)節(jié)的應(yīng)用，具有可靠性高、豐富的I/O接口模塊、運(yùn)行速度快能完成復(fù)雜的控制任務(wù)等特點(diǎn)。

1.2 ACS800變頻器

ACS800變頻器具備穩(wěn)定的性能、豐富的組合功能、高性能的矢量控制技術(shù)、良好的動態(tài)特性及超強(qiáng)過載能力，允許四像限運(yùn)行將其制動能量回饋電網(wǎng)。

1.2.1 ACS800變頻器控制方式

ACS800可以接受來自控制盤或來自數(shù)字模擬輸入口的啟動、停止及給定信號，利用可選的現(xiàn)場總線適配器通過開放的現(xiàn)場總線連接控制單元，本傳動單元亦可用與裝有Drive Window的PC進(jìn)行控制。

1.2.2 ACS800變頻器具有可編程的模擬輸入和模擬輸出功能

ACS800有三個(gè)可編程的模擬輸入端：一個(gè)電壓輸入端和兩個(gè)電流輸入端;標(biāo)準(zhǔn)情況下有兩個(gè)可編程的電流輸出端，模擬信號可以按一定比例的輸出電機(jī)速度、輸出電流。

1.3 智能變頻器

利用S7-200PLC豐富的控制功能 以及可靠的通訊能力與ACS800變頻器實(shí)現(xiàn)對接構(gòu)成智能變頻器。

1.3.1 ACS800變頻器與PLC實(shí)現(xiàn)通信功能

只需激活外部串行通信并選擇外部串行通信接口，參數(shù)設(shè)置COMM MODULE，S7-200PLC進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)控制，通信速率設(shè)成19200即可。

1.3.2 ACS800變頻器與PLC實(shí)現(xiàn)控制需求

PLC即通過通訊實(shí)現(xiàn)對ACS800變頻器進(jìn)行所需控制，又能通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程的傳輸，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動化提供平臺。

1.4 永磁同步電機(jī)應(yīng)用

永磁同步電機(jī)原理及應(yīng)用效能：螺桿式空壓機(jī)采用永磁同步電動機(jī)進(jìn)行工作，與原異步電動機(jī)相比區(qū)別在于永磁體替代勵磁繞組進(jìn)行勵磁，送入三相交流電后產(chǎn)生一個(gè)以同步轉(zhuǎn)速推移的旋轉(zhuǎn)磁場，主極磁場隨著旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)動。稀土永磁材料的磁性能優(yōu)異，經(jīng)過充磁后不在需要外部能量，就能建立很強(qiáng)的永久磁場。永磁電機(jī)因轉(zhuǎn)子沒有損耗，具有更高的效率，電機(jī)體積小重量輕、功率因數(shù)較高、調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)動慣量小，可獲得較高的加速度及過載能力。永磁式同步電機(jī)在螺桿式空壓機(jī)中應(yīng)用，提高技術(shù)裝備性能和水平。

1.5 智能變頻器控制永磁同步電動機(jī)應(yīng)用

智能變頻器控制永磁同步電動在空壓機(jī)中應(yīng)用：螺桿式空壓機(jī)如直接采用永磁同步電機(jī)存在啟動沖擊，對泵及電機(jī)與泵體連接部分造成沖擊，因此采用永磁同步電機(jī)智能變頻控制能解決上述問題，使永磁同步電機(jī)充分發(fā)揮效能。同時(shí)利用智能變頻器對永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，是最理想、最有前途的方案，除了具有卓越的調(diào)速性能之外，智能變頻器還有顯著的節(jié)能作用，同時(shí)還具有保護(hù)附屬電氣設(shè)備及避免直接啟動給機(jī)械設(shè)備造成的沖擊引起的機(jī)械故障。在變頻系統(tǒng)中，在頻率剛減小的瞬間，電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨之下降，而由于機(jī)械慣性的原因，轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線的方向相反了，轉(zhuǎn)子電流的相位幾乎改變了π （180°），使電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，回饋電網(wǎng)。

2 改造后實(shí)現(xiàn)的功能

2.1 空壓機(jī)智能控制

①運(yùn)行模式包括“本地”和“自動”，可以按下“本地/遠(yuǎn)程”按鈕調(diào)節(jié)運(yùn)行模式?！氨镜亍蹦Ｊ郊措姍C(jī)運(yùn)行后通過調(diào)節(jié)“+”，“-”修改電機(jī)運(yùn)行頻率?！斑h(yuǎn)程”模式即PLC通過排氣壓力與加載壓力和卸載壓力進(jìn)行比較，通過PID自動調(diào)節(jié)運(yùn)行頻率;

②在“自動”模式下，按“切換”鍵可選擇“加載壓力”或“卸載壓力”，切換到對應(yīng)選擇，字體會變紅色，然后按“+”或“-”修改“加載壓力”或“卸載壓力”;

③電機(jī)的啟/停一般在遠(yuǎn)程控制，故障復(fù)位在操作員在驅(qū)動器上確認(rèn)后按“復(fù)位”鍵恢復(fù);

④當(dāng)前壓力<加載壓力，則進(jìn)入加載模式，PLC中Q0.3接通，電磁閥輸出36V交流電;

⑤加載壓力<當(dāng)前壓力<卸載壓力，繼續(xù)保持加載模式，Q0.3接通，電磁閥輸出36V交流電;

⑥當(dāng)前壓力>卸載壓力，進(jìn)入卸載模式，電磁閥無輸出，電機(jī)運(yùn)行速率降為原來一半，若在2.5h后，當(dāng)前壓力>加載壓力，則電機(jī)停止運(yùn)行，直到當(dāng)前壓力<加載壓力電機(jī)恢復(fù)“邏輯1”控制;

⑦ACS800變頻器設(shè)定啟動加速時(shí)間：變頻器啟動方式設(shè)定可有效避免直啟對電網(wǎng)沖擊，參數(shù)設(shè)置ACCEL TIME，現(xiàn)場設(shè)定20s;

⑧ACS800變頻器設(shè)定停車方式：根據(jù)空壓機(jī)螺桿泵運(yùn)行工況要求，設(shè)定停車方式為自由停車方式，參數(shù)設(shè)置COAST。

2.2 空壓機(jī)保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)

2.2.1 ACS800變頻器設(shè)定電機(jī)溫度保護(hù)

設(shè)定溫度極限值進(jìn)行電機(jī)溫度保護(hù)，變頻器參數(shù)設(shè)置NO7I TEMP。

2.2.2 設(shè)定空壓機(jī)空久停機(jī)功能

由S7-200PLC設(shè)定壓力上值，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)定壓力上限值時(shí)，式加載電磁閥斷電，電機(jī)空載運(yùn)行。運(yùn)行到空載運(yùn)行設(shè)定時(shí)間后，S7-200PLC輸出給ACS800變頻器停止指令，切斷電機(jī)電源實(shí)現(xiàn)空久停機(jī)功能。當(dāng)系統(tǒng)壓力降到S7-200PLC設(shè)定壓力下限值時(shí)，PLC輸出給ACS800變頻器啟動指令，啟動電機(jī)并加載空壓機(jī)。

2.2.3 設(shè)定失水停機(jī)功能

由S7-200PLC自動檢測冷卻水壓力，當(dāng)冷卻水壓力低于設(shè)定壓力值時(shí)，空壓機(jī)不能啟動并告警水壓低。在空壓機(jī)運(yùn)行期間，當(dāng)冷卻水壓力低壓設(shè)定壓力值時(shí)，空壓機(jī)自動停機(jī)并告警失水停機(jī)故障。

2.3 空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控

2.3.1 現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控

S7-200PLC通過串行接口與ACS800變頻器通信讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，通過串行接口與觸摸屏通信，將空壓機(jī)運(yùn)行的運(yùn)行狀態(tài)、告警記錄等重要參數(shù)實(shí)時(shí)顯示在觸摸屏監(jiān)視畫面上。

2.3.2 空壓機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷、監(jiān)控功能

S7-200PLC通過網(wǎng)絡(luò)接口與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)對接，通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程與控制中心實(shí)時(shí)通信，在上位機(jī)監(jiān)控畫面時(shí)顯示空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)揮遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障診斷功能。

3 空壓機(jī)改造后的控制方式

①檢修控制方式：此方式下現(xiàn)場觸摸屏上顯示檢修狀態(tài)，便于現(xiàn)象人員安全檢修操作?？諌簷C(jī)本身、智能變頻器及遠(yuǎn)程均不可對空壓機(jī)進(jìn)行啟動;

②就地控制方式：此方式下即可在空壓機(jī)本身啟停，也可在智能變頻器上操作。各種保護(hù)均能實(shí)現(xiàn)，此方式遠(yuǎn)程不可已操作;

③遠(yuǎn)程控制方式;通過控制中心操作平臺可對現(xiàn)場空壓機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟停機(jī)功能，并且支持就地和遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)論

改造后采用永磁同步電機(jī)（JBUF-132YC）替代老式交流異步電機(jī)降低電能消耗10%，單臺空壓機(jī)每年節(jié)電：132kW*

20h*365天*0.5元/kWh*10%=4.818萬元;智能化變頻器應(yīng)用減小了電機(jī)啟動對空壓機(jī)沖擊，同時(shí)降低了啟動電流，作為節(jié)能應(yīng)用與轉(zhuǎn)速工藝控制中越來越重要的自動化設(shè)備，將得到了快速發(fā)展。實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)智能化控制、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制、監(jiān)控，為實(shí)現(xiàn)無人值守，減人提效提供了條件，此方案已成為礦井空壓機(jī)技術(shù)改造發(fā)展必然趨勢。