变频技术空压机调速系统研究 本文关键词：调速，变频，空压机，研究，系统
变频技术空压机调速系统研究 本文简介：摘要：针对煤矿用空压机长时间重载或轻载运行、控制方式不灵活、启动损伤等问题，提出一种基于变频技术的空压机调速系统。从系统设计、硬件组成以及软件设计三方面对该调速系统进行分析，并将该系统应用于生产实践。实际使用结果表明，所设计的空压机变频调速系统实现了空压机的变频软启动，并能根据负载变化均衡各空压机的
变频技术空压机调速系统研究 本文内容：
摘要：针对煤矿用空压机长时间重载或轻载运行、控制方式不灵活、启动损伤等问题，提出一种基于变频技术的空压机调速系统。从系统设计、硬件组成以及软件设计三方面对该调速系统进行分析，并将该系统应用于生产实践。实际使用结果表明，所设计的空压机变频调速系统实现了空压机的变频软启动，并能根据负载变化均衡各空压机的使用时间，达到节能增效的目的。
关键词：变频调速；PLC控制器；CanOpen空压机
煤矿用空压机，即空气压缩机，是一种常见的煤矿机械设备。空压机的工作原理是将电能转换为动能来压缩空气，由压缩空气驱动煤矿用气动设备工作，如风水泵、风钻等矿用设备。空压机作为动力源，极大提高了全厂生产安全，改善了工作环境[1-2]。传统的空压机控制方式为接触器+继电器，该控制方式不够灵活，不能根据负载变化，均衡分割空压机的运行时间，造成部分空压机长时间的重载或轻载运行，使得空压机的工作效率降低，并且造成电能浪费。另外，空压机在启动时，启动转矩较大，启动电流较大，启动时间较长，传统控制方式对空压机设备会造成冲击和损伤[3]。因此，提出一种基于变频技术的空压机调速系统，既根据负载均衡了各空压机的运行时间，又保护了空压机设备在启动时免受电流冲击。
1系统设计
基于变频技术的空压机调速系统的设计如图1所示，主要由PLC控制器、变频器、电机组、空压机以及压力传感器组成。地面空压机站一般安装四台空压机，三用一备，如图1所示。由三台变频器分别控制M1、M2以及M3三个电机组，进而由电机组驱动对应空压机工作，形成一个实时闭环检测系统。压力传感器实时检测储气/供气管道中的压力值，并将压力检测值传递给PLC控制器。PLC控制器根据接收到的实时压力值作出逻辑判断，并分别控制三个电机组的工作频率，使得储气/供气管道中的空气压力值满足煤矿井下实际生产需要。另外，PLC控制器与变频器之间以CanOpen通信协议进行数据传送。
2硬件组成
设计的基于变频技术的空压机调速系统的硬件设备由以下组成PLC控制器选用EPEC的6100系列PLC，其丰富的数字量I/O、模拟量I/O以及支持CanOpen、CAN通信协议满足本方案设计要求。变频器选用罗滨康的，该变频器在四象限运行，支持V/F控制模式，支持转速/转矩模式模式，其额定工作电压为6kV，额定功率为370kW，该变频器支持CanOpen、CAN通信协议[4-5]。空压机选用英格索兰生产的ML300-2S型螺杆式空气压缩机，其参数见表1所示[6]。压力传感器选用深圳安贝尔有限公司生产的GYZ2型矿用本质安全性压力传感器，为4~20mA的电流信号，其量程范围为0~1MPa，防护等级为IP65，测量精度为0.1%。
3软件设计
3.1系统主程序
空压机调速系统主程序流程如下页图2所示，系统上电后，首先进行初始化，即将系统中用到的变量以及新开辟的内存空间进行初始化。接着建立PLC控制器与变频器之间的CanOpen通信连接，严格遵守CanOpen通信连接建立的步骤进行，只有通信连接建立成功后，PLC控制器才能对空压机进行变频调速控制，该通信连接是PLC控制器控制电机组以及空压机的控制指令通道，也是PLC控制器获取空压机运行参数信息的数据通道。为保持PLC控制器与变频器之间的CanOpen通信，在通信建立过程中，应用心跳机制，实时监测和检测通信连接是否正常。然后进行变频器控制过程，即对空压机进行变频控制，当某一个空压机的运行频率达到上限后，立即启动下一个空压机，并实时调整其运行频率，以调整其运行速度，保证储气/供气管道的压力在合理范围之内。当系统检测到有故障时，进行故障停机，并对故障进行处理。如系统检测到没有故障时，则各个空压机保持正常运行。
3.2变频器控制子程序
空压机调速系统变频控制子程序见图3所示，系统中有三组变频器-空压机组，开始时，首先启动第一组变频器，启动对应的空压机，变频器运行频率为0。PLC控制器实时监测压力传感器检测到的储气/供气管道的压力值，当压力值未达到规定值时，增加变频器频率，进行增加空压机运行速度，增强储气/供气管道压力值。当达到变频器的频率上限后，实际储气/供气管道压力值未达到规定值，则将本空压机转换至工频运行，同时启动下一个变频器-空压机组。当PLC控制器检测到变频器运行频率达到下限时，停止本空压机，并对变频器进行复位。当PLC控制器检测到有故障发生时，则需要对所发生的故障进行处理。只有将故障清除后，才能重新检测当前运行的变频器的频率。当没有故障发生时，PLC控制器实时监测当前运行的变频器的频率，并进行对应操作。
3.3CanOpen通讯子程序
空压机调速系统CanOpen通讯子程序的作用是完成PLC控制器与变频器之间的控制指令以及普通数据的传送。建立CanOpen通讯连接的过程严格按照其通信协议来实现，建立四组TPDO1-TPDO4数据对象，建立四组RPDO1-RPDO4，建立Emergency以及MNTErrorControl连接。同时，在连接建立的过程中，配置CanOpen通信端口、波特率、通信ID以及操作模式等参数。在解析和打包CanOpen通信数据时，需要注意字节序问题，即一个CanOpen通信连接中的8个字节数据存放位置关系。由于内存存储问题，内存存放数据时可能是高字节数据放在高位，也可能是高字节数据放在低位。如CanOpen通信数据0x3120，在内存中可能是按照0x31、0x20这样的形式存放，也可能是按照0x20、0x31这样的形式存放。另外，需要实时监测CanOpen通信连接是否中断，当连接中断后，需要重新建立CanOpen通信连接，连续三次建立不成功，则提示通信故障。
4结语
空压机在本厂生产过程中，需要持续、稳定、安全运行。设计并实现的基于变频技术的空压机调速系统，能够根据全厂生产实际情况，实时控制、调整空压机运行速度和运行状态，其控制精度高、运行稳定性，极大提升了空压机运行效率，有效保障了空压机的安全、稳定运行。
参考文献
[1]张毅.基于PLC的煤矿空压机智能控制系统研究[J].煤矿机械，2018，39（6）：157-159.
[2]申晓剑.PLC技术在煤矿空压机上的应用[J].煤炭与化工，2017，40（8）：54-56.
[2]张豪，陶建松.煤矿带式输送机变频调速系统的改造与应用[J].煤炭工程，2015（10）：74-76.
[3]罗会，王启，何敏.无人值守的空压机变频恒压监控系统[J].煤矿机械，2014，35（8）：230-232.
[4]武超，徐文尚，于砚廷.基于PLC的空压机控制系统设计[J].煤矿机械，2011，32（6）：164-166.
[5]赵学华，胡泳军，陈丽兵.基于PLC控制的煤矿空压机变频调速系统[J].煤矿安全，2009（4）：47-50.
[6]石进水，刘佃祥.基于S7-300PLC的空压机监控系统的设计[J].工矿自动化，2009，35（2）51-53.
作者：程莹萍 单位：大同煤业金鼎活性炭有限公司
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