S7—200PLC在煤矿空压机变频控制系统中的应用

S7—200PLC在煤矿空压机变频控制系统中的应用

针对煤矿空压机系统常规控制方案中存在噪声大、压力波动大、电能风能损耗多、自动化调控性能差等问题，采用先进调控策略进行节能升级改造尤为重要。基于PLC+变频器的恒压变频调控方案，能够根据系统所需风量经变频器PID实时动态调节风机电机输入电源频率，实现煤矿空压机组的高精度、高可靠性的恒压供气运行，有效提高了空压机系统的综合自动化水平，且具有非常可观的节能降耗效果，系统升级改造应用效果整体较好。

标签：煤矿；恒压供气；变频调速；PLC

空压机作为煤矿企业重要的提供压缩空气的动力能源设备，为煤炭开采、传输、转运等过程中的所有气动元件提供必要的动力气源。由于受传统设计理念、技改水平和技改资金等因素的制约，目前尚有较多的煤矿企业没有针对空压机系统实施自动化升级改造。空压机作为常年运转设备，其常规的继电器直接控制方式存在启动电流大、运行效率低、电能风能等资源浪费严重、自动化调控性能差、供气可靠性低等问题，直接影响到企业的正常高效生产[1]。因此，针对煤矿企业空压机系统现存的问题，经过深入研究和探討，对原控制系统进行节能升级改造，具有非常重要的意义。

1 传统继电器控制方式现存主要问题

在煤炭生产过程中，需气量会受到生产节奏的影响，当处于用气量少运行工况时，空压机电机长期处于非满负荷甚至是空载运行条件下，供气管网中的气压就会不断增加，当达到系统气压上限时泄压阀就会自动打开，造成大量电能和风能资源浪费[2]。如：某煤矿企业的1台功率为160kW的空压机，其额定电流为300A，空压机在加载工况下其运行电流为240A，而在空载运行工况下其运行电流为108A，此时电机功率因素直接降到0.4左右，空载工况下的能源消耗约占满载能耗的55%，这就严重影响煤矿供配电系统的供电电能质量，同时还造成大量的电能资源浪费。传统空压机其控制方式通常采用Y-△降压启动，启动时启动电流是额定电流的几倍甚至十几倍，巨大冲击电流对电网的冲击，严重影响供配电系统的稳定。

2 基于PLC+变频器的恒压变频节能控制系统方案

按照“供需平衡动态调节”节能理念组建调控系统，改善系统调控性能，有效提高煤矿空压机组的整体运行安全性、可靠性和节能经济性，提高煤炭生产效率和降低生产成本，具有很强的工程实践应用研究价值。

2.1 恒压变频节能调控系统逻辑组成

根据煤矿企业3台空压系统技术升级改造要求，通过安装在主管道上的压力传感器和压力变送器，将整个供气系统中的气体压力转换成变频器功能模块能够

识别的4～20mA标准的数字信号，经通信信号电缆传输到变频器单元的信号输入端口，与系统原设定的压力信号进行实时对比分析，并经PID调节功能形成对应的调控决策，控制变频器的电源输出频率，直接作用在电机上通过控制空压机的运行转速来达到“供需快速响应和动态调节”的目的。PLC通过检测变频器调控状态，以判断系统所需启动的空压机台数，实现整个空压机系统在变频、工频等工况下的智能自动切换，完成整个煤矿供气系统压力恒定的动态反馈闭环控制。采用PLC作为主要控制单元、变频器作为主要数据处理和电源调频机构，组建1拖3的恒压变频节能调控系统，如图1所示。

2.2 主要硬件设备选型

在煤矿空压机系统技术升级改造中，优选控制性能较优越的西门子S7-200可编程序控制器（CPU226），其输入输出I/O接点数为24输入点和16输出点。配套选用西门子变频器MM420系列，具备过电压/欠电压保护、短路保护、电动机过热保护、电动机保护等保护功能。为了实现空压系统温度过高保护、压力过高保护等控制保护功能，采用EM231型模拟模块和EM222型数字量模块作为PLC控制器的扩展功能模块，以完善空压机系统的变频调速控制功能。MM420系列变频器与主干管道处的压力传感器、变送器等测控单元组成一个气体压力“测量→反馈→修正调节→测量→”的闭环控制，通过变频器内部PID形成对应的调控策略，通过输出与实际需风量相匹配的电源频率，来动态调节空压机电机转速，确保整个空压机系统长期处于最优工况，达到节能降耗的目的。

2.3 空压机变频-工频节能顺序调控策略

空压机系统在完成各项启动准备工作后，通过按下PLC启动按钮启动系统。1#空压机先按照变频运行工况，转速从零不断上升，若达到空压机电源最大频率（48Hz），延时10ms后还未达到系统所需气体压力时，则将1#空压机自动切换到工频运行工况，同时启动2#空压机系统进入变频运行工况，若2#空压机达到电源频率上限，延时10ms后还未达到系统气压要求时，则将2#空压机切换至工频运行工况，同时启动3#空压机进入变频运行工况。相应如果系统压力过大，则先自动停止1#空压机，然后停止2#空压机。如空压机系统在运行过程中，出现故障报警、跳闸保护等，整个恒压变频调速系统将通过声、光等信号，提示相应的工作人员及时进行故障排查及处理，确保系统安全可靠的运行。

3 煤矿空压机系统技术升级改造应用效果分析

煤矿3台空压机组组成的供气系统，在采用基于PLC+变频器的恒压变频调速控制方案进行技术升级改造后，取得较好的应用效果，具体表现在以下几个方面。

（1）空压机系统供气压力得到有效保证，压力波动较小，恒定稳定性高。恒压变频调速节能改造后，供气主干网压力始终保持稳定范围，其压力波动范围能够有效控制在±0.02MPa，供气可靠性高，确保煤矿开采各种气动元件性能的正常发挥。

（2）具有非常明显的节能降耗效果。经过节能升级改造后，空压机电机长期运行在最优工况，启动电流较小，减小了对煤矿供配电系统的冲击；发热量大大降低，延长了空压机电机的综合使用寿命；降低了电能及风能浪费，通过合理的变频调控运行，确保整个空压机系统“按需”自动调节，经过3个月的用电统计分析，其综合节电率可以达到55%，节电效果相当可观。

（3）空压机系统综合自动化水平大大提高。由于采用集成自动化功能优越的PLC和变频器，利用其自动调控及较强抗干扰和自我调节功能，可以有效提高系统调控自动化性能，操控简单、灵活方便，能够有效减轻操控人员工作强度。

参考文献

[1]王强，李齐权.变频技术在恒压供水系统中的应用[J].节能技术，2009，27（1）：87-88.

[2]金沙，耿惊涛.PLC应用技术[M].北京：中国电力出版社，2010.

作者简介：毛林（1984-），男，汉族，宝鸡人，本科，助理讲师，主要从事机电一体化项目的研究与教学，参加内蒙古自治区精品课程-西门子PLC应用技术的建设工作，为主要成员。近年来对工业控制领域有一定的了解与研究，并作出了深刻的见解。