變頻器在礦井空壓機智能化控制改造中的應用

杜海江

摘 要：本文主要介紹礦井使用的空壓機智能化改造實施方案及S7-200PLC在改造中的具體應用。

關鍵詞：S7-200PLC;智能變頻器;永磁同步電機;改造

目前礦井中使用的螺桿式空壓機采用YB2-315M-2S三

相交流異步電機，為高耗能設備，且采用直起控制方式，需要人工現場操作，已不使用礦井發展需要。為實現礦井自動化、智能化，對空壓機進行智能化控制改造。

1 改造實施方案

1.1 S7-200PLC

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）簡稱PLC是專為工業環境應用而設計制造的計算機，S7-200PLC

是西門子公司的S7-200系列一體化緊湊型PLC，該PLC具備邏輯控制、定時控制、等控制功能;數據采集、存儲與處理功能;通訊聯網功能等，適應工業環節的應用，具有可靠性高、豐富的I/O接口模塊、運行速度快能完成復雜的控制任務等特點。

1.2 ACS800變頻器

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

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字模擬輸入口的啟動、停止及給定信號，利用可選的現場總線適配器通過開放的現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有三個可編程的模擬輸入端：一個電壓輸入端和兩個電流輸入端;標準情況下有兩個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變頻器實現對接構成智能變頻器。

1.3.1 ACS800變頻器與PLC實現通信功能

只需激活外部串行通信并選擇外部串行通信接口，參數設置COMM MODULE，S7-200PLC進行通信實現控制，通信速率設成19200即可。

1.3.2 ACS800變頻器與PLC實現控制需求

PLC即通過通訊實現對ACS800變頻器進行所需控制，又能通過網絡實現數據遠程的傳輸，實現網絡自動化提供平臺。

1.4 永磁同步電機應用

永磁同步電機原理及應用效能：螺桿式空壓機采用永磁同步電動機進行工作，與原異步電動機相比區別在于永磁體替代勵磁繞組進行勵磁，送入三相交流電后產生一個以同步轉速推移的旋轉磁場，主極磁場隨著旋轉磁場同步轉動。稀土永磁材料的磁性能優異，經過充磁后不在需要外部能量，就能建立很強的永久磁場。永磁電機因轉子沒有損耗，具有更高的效率，電機體積小重量輕、功率因數較高、調速范圍寬、轉動慣量小，可獲得較高的加速度及過載能力。永磁式同步電機在螺桿式空壓機中應用，提高技術裝備性能和水平。

1.5 智能變頻器控制永磁同步電動機應用

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

2 改造后實現的功能

2.1 空壓機智能控制

①運行模式包括“本地”和“自動”，可以按下“本地/遠程”按鈕調節運行模式?！氨镜亍蹦Ｊ郊措姍C運行后通過調節“+”，“-”修改電機運行頻率?！斑h程”模式即PLC通過排氣壓力與加載壓力和卸載壓力進行比較，通過PID自動調節運行頻率;

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電機的啟/停一般在遠程控制，故障復位在操作員在驅動器上確認后按“復位”鍵恢復;

④當前壓力<加載壓力，則進入加載模式，PLC中Q0.3接通，電磁閥輸出36V交流電;

⑤加載壓力<當前壓力<卸載壓力，繼續保持加載模式，Q0.3接通，電磁閥輸出36V交流電;

⑥當前壓力>卸載壓力，進入卸載模式，電磁閥無輸出，電機運行速率降為原來一半，若在2.5h后，當前壓力>加載壓力，則電機停止運行，直到當前壓力<加載壓力電機恢復“邏輯1”控制;

⑦ACS800變頻器設定啟動加速時間：變頻器啟動方式設定可有效避免直啟對電網沖擊，參數設置ACCEL TIME，現場設定20s;

⑧ACS800變頻器設定停車方式：根據空壓機螺桿泵運行工況要求，設定停車方式為自由停車方式，參數設置COAST。

2.2 空壓機保護功能實現

2.2.1 ACS800變頻器設定電機溫度保護

設定溫度極限值進行電機溫度保護，變頻器參數設置NO7I TEMP。

2.2.2 設定空壓機空久停機功能

由S7-200PLC設定壓力上值，當系統壓力達到設定壓力上限值時，式加載電磁閥斷電，電機空載運行。運行到空載運行設定時間后，S7-200PLC輸出給ACS800變頻器停止指令，切斷電機電源實現空久停機功能。當系統壓力降到S7-200PLC設定壓力下限值時，PLC輸出給ACS800變頻器啟動指令，啟動電機并加載空壓機。

2.2.3 設定失水停機功能

由S7-200PLC自動檢測冷卻水壓力，當冷卻水壓力低于設定壓力值時，空壓機不能啟動并告警水壓低。在空壓機運行期間，當冷卻水壓力低壓設定壓力值時，空壓機自動停機并告警失水停機故障。

2.3 空壓機運行狀態實時監控

2.3.1 現場實現運行狀態實時監控

S7-200PLC通過串行接口與ACS800變頻器通信讀取相關數據，通過串行接口與觸摸屏通信，將空壓機運行的運行狀態、告警記錄等重要參數實時顯示在觸摸屏監視畫面上。

2.3.2 空壓機實現遠程故障診斷、監控功能

S7-200PLC通過網絡接口與網絡交換機對接，通過局域網實現遠程與控制中心實時通信，在上位機監控畫面時顯示空壓機運行狀態，發揮遠程監控及故障診斷功能。

3 空壓機改造后的控制方式

①檢修控制方式：此方式下現場觸摸屏上顯示檢修狀態，便于現象人員安全檢修操作?？諌簷C本身、智能變頻器及遠程均不可對空壓機進行啟動;

②就地控制方式：此方式下即可在空壓機本身啟停，也可在智能變頻器上操作。各種保護均能實現，此方式遠程不可已操作;

③遠程控制方式;通過控制中心操作平臺可對現場空壓機進行遠程操作，實現遠程啟停機功能，并且支持就地和遠程轉換。

4 結論

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

20h*365天*0.5元/kWh*10%=4.818萬元;智能化變頻器應用減小了電機啟動對空壓機沖擊，同時降低了啟動電流，作為節能應用與轉速工藝控制中越來越重要的自動化設備，將得到了快速發展。實現了空壓機智能化控制、遠程網絡控制、監控，為實現無人值守，減人提效提供了條件，此方案已成為礦井空壓機技術改造發展必然趨勢。