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摘要：

針對煤礦空壓機系統常規控制方案中存在噪聲大、壓力波動大、電能風能損耗多、自動化調控性能差等問題，采用先進調控策略進行節能升級改造尤為重要。基于plc+變頻器的恒壓變頻調控方案，能夠根據系統所需風量經變頻器PID實時動態調節風機電機輸入電源頻率，實現煤礦空壓機組的高精度、高可靠性的恒壓供氣運行，有效提高了空壓機系統的綜合自動化水平，且具有非常可觀的節能降耗效果，系統升級改造應用效果整體較好。

關鍵詞：

煤礦；恒壓供氣；變頻調速；PLC

空壓機作為煤礦企業重要的提供壓縮空氣的動力能源設備，為煤炭開采、傳輸、轉運等過程中的所有氣動元件提供必要的動力氣源。由于受傳統設計理念、技改水平和技改資金等因素的制約，目前尚有較多的煤礦企業沒有針對空壓機系統實施自動化升級改造?？諌簷C作為常年運轉設備，其常規的繼電器直接控制方式存在啟動電流大、運行效率低、電能風能等資源浪費嚴重、自動化調控性能差、供氣可靠性低等問題，直接影響到企業的正常高效生產[1]。因此，針對煤礦企業空壓機系統現存的問題，經過深入研究和探討，對原控制系統進行節能升級改造，具有非常重要的意義。

1傳統繼電器控制方式

現存主要問題在煤炭生產過程中，需氣量會受到生產節奏的影響，當處于用氣量少運行工況時，空壓機電機長期處于非滿負荷甚至是空載運行條件下，供氣管網中的氣壓就會不斷增加，當達到系統氣壓上限時泄壓閥就會自動打開，造成大量電能和風能資源浪費[2]。如：某煤礦企業的1臺功率為160kW的空壓機，其額定電流為300A，空壓機在加載工況下其運行電流為240A，而在空載運行工況下其運行電流為108A，此時電機功率因素直接降到0.4左右，空載工況下的能源消耗約占滿載能耗的55%，這就嚴重影響煤礦供配電系統的供電電能質量，同時還造成大量的電能資源浪費。傳統空壓機其控制方式通常采用Y-△降壓啟動，啟動時啟動電流是額定電流的幾倍甚至十幾倍，巨大沖擊電流對電網的沖擊，嚴重影響供配電系統的穩定。

2基于PLC+變頻器的恒壓變頻節能控制系統方案

按照“供需平衡動態調節”節能理念組建調控系統，改善系統調控性能，有效提高煤礦空壓機組的整體運行安全性、可靠性和節能經濟性，提高煤炭生產效率和降低生產成本，具有很強的工程實踐應用研究價值。

2.1恒壓變頻節能調控系統邏輯組成根據煤礦企業3臺空壓系統技術升級改造要求，通過安裝在主管道上的壓力傳感器和壓力變送器，將整個供氣系統中的氣體壓力轉換成變頻器功能模塊能夠識別的4~20mA標準的數字信號，經通信信號電纜傳輸到變頻器單元的信號輸入端口，與系統原設定的壓力信號進行實時對比分析，并經PID調節功能形成對應的調控決策，控制變頻器的電源輸出頻率，直接作用在電機上通過控制空壓機的運行轉速來達到“供需快速響應和動態調節”的目的。PLC通過檢測變頻器調控狀態，以判斷系統所需啟動的空壓機臺數，實現整個空壓機系統在變頻、工頻等工況下的智能自動切換，完成整個煤礦供氣系統壓力恒定的動態反饋閉環控制。采用PLC作為主要控制單元、變頻器作為主要數據處理和電源調頻機構，組建1拖3的恒壓變頻節能調控系統，如圖1所示。

2.2主要硬件設備選型在煤礦空壓機系統技術升級改造中，優選控制性能較優越的西門子S7-200可編程序控制器（CPU226），其輸入輸出I/O接點數為24輸入點和16輸出點。配套選用西門子變頻器MM420系列，具備過電壓/欠電壓保護、短路保護、電動機過熱保護、電動機保護等保護功能。為了實現空壓系統溫度過高保護、壓力過高保護等控制保護功能，采用EM231型模擬模塊和EM222型數字量模塊作為PLC控制器的擴展功能模塊，以完善空壓機系統的變頻調速控制功能。MM420系列變頻器與主干管道處的壓力傳感器、變送器等測控單元組成一個氣體壓力“測量→反饋→修正調節→測量→”的閉環控制，通過變頻器內部PID形成對應的調控策略，通過輸出與實際需風量相匹配的電源頻率，來動態調節空壓機電機轉速，確保整個空壓機系統長期處于最優工況，達到節能降耗的目的。

2.3空壓機變頻-工頻節能順序調控策略空壓機系統在完成各項啟動準備工作后，通過按下PLC啟動按鈕啟動系統。1#空壓機先按照變頻運行工況，轉速從零不斷上升，若達到空壓機電源最大頻率（48Hz），延時10ms后還未達到系統所需氣體壓力時，則將1#空壓機自動切換到工頻運行工況，同時啟動2#空壓機系統進入變頻運行工況，若2#空壓機達到電源頻率上限，延時10ms后還未達到系統氣壓要求時，則將2#空壓機切換至工頻運行工況，同時啟動3#空壓機進入變頻運行工況。相應如果系統壓力過大，則先自動停止1#空壓機，然后停止2#空壓機。如空壓機系統在運行過程中，出現故障報警、跳閘保護等，整個恒壓變頻調速系統將通過聲、光等信號，提示相應的工作人員及時進行故障排查及處理，確保系統安全可靠的運行。

3.煤礦空壓機系統技術升級改造應用效果分析

煤礦3臺空壓機組組成的供氣系統，在采用基于PLC+變頻器的恒壓變頻調速控制方案進行技術升級改造后，取得較好的應用效果，具體表現在以下幾個方面。

（1）空壓機系統供氣壓力得到有效保證，壓力波動較小，恒定穩定性高。恒壓變頻調速節能改造后，供氣主干網壓力始終保持穩定范圍，其壓力波動范圍能夠有效控制在±0.02MPa，供氣可靠性高，確保煤礦開采各種氣動元件性能的正常發揮。

（2）具有非常明顯的節能降耗效果。經過節能升級改造后，空壓機電機長期運行在最優工況，啟動電流較小，減小了對煤礦供配電系統的沖擊；發熱量大大降低，延長了空壓機電機的綜合使用壽命；降低了電能及風能浪費，通過合理的變頻調控運行，確保整個空壓機系統“按需”自動調節，經過3個月的用電統計分析，其綜合節電率可以達到55%，節電效果相當可觀。

（3）空壓機系統綜合自動化水平大大提高。由于采用集成自動化功能優越的PLC和變頻器，利用其自動調控及較強抗干擾和自我調節功能，可以有效提高系統調控自動化性能，操控簡單、靈活方便，能夠有效減輕操控人員工作強度。

參考文獻：

[1]王強，李齊權.變頻技術在恒壓供水系統中的應用[J].節能技術，2009，27（1）：87-88.

[2]金沙，耿驚濤.PLC應用技術[M].北京：中國電力出版社，2010.

作者：毛林 單位：赤峰工業職業技術學院