李 哲

（山煤集团 煤业管理有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

空气压缩机简称空压机，是一种用来压缩气体或传输气体的机械设备，在煤矿上具有非常重要的作用，不但可以保障煤矿井下的正常作业，而且可以在矿井下发生重大事故时为工作人员保驾护航［1］。但是，传统空压机主要采用人工操作或继电器控制方式，由于煤矿井下复杂的环境，需要空压机全天不间断运行，使得空压机长期处于空载或轻载情况，导致供气压力不稳定，增大了系统能耗。改变空压机控制方式，降低能耗，提高其自动化水平已经是大势所趋［2］。为此，本文将高压变频技术引入了空压机控制系统中，取代原有工作方式，并结合传感器检测技术、计算机技术对其进行改造，提出一种新型的煤矿空压机变频调速系统。

1 空气压缩机变频调速节能工作原理分析

空压机是一种传输和压缩气体的机械设备，本质上是把异步电动机的轴动率转化为流体的机械能［3］。假定煤矿上用风量恒定，实际中，空压机输出的空气压力正比于气缸的运动频率，而气缸的运动频率又正比于电动机转速。交流异步电动机的转速公式为：

其中：n为电机转速；f为供电频率；s为转差率；p为极对数。

根据式（1）可知，要想改变空压机电动机的转速n，只有改变交流电动机的供电频率f，为此引入了高压变频调速技术，通过高压变频调速技术改变电动机的供电频率f，最终改变空压机输出的气体压力，使空压机出口风压保持恒定，达到节能的目的。

2 空压机变频调速控制系统总体方案设计

空压机变频调速控制系统整体方案如图1所示。整个系统由地面监控单元、变频调速控制单元、温度预警单元三大部分组成。

图1 空压机变频调速控制系统总体方案

其中，变频调速控制单元是系统的核心部分，由变频器、压力变送器、PLC组成，可实时检测供风出口的压力参数并传输给PLC控制系统，经PLC控制系统分析处理后，通过智能调节变频器的运行频率改变电机的转速，进而控制空压机的工作状态；地面监控单元主要负责对整个控制系统进行监控和统一调度，单台空压机硬件系统与上位机之间通过RS485转以太网的方式进行通信；温度预警单元主要用于检测排气温度，若超出温度阈值范围，系统将进行预警并开启保护功能。

3 单台空气压缩机硬件系统选型与设计

3.1 PLC控制系统选型

PLC控制系统需要同时对模拟量和数字量进行处理，根据本系统所要处理的参数数量需求，选用西门子S7-200系列PLC。中央数据处理单元采用CPU226模块，该模块运行速度快，可扩展性强，拥有数字输入24路、数字输出16路，完全能够满足空压机控制系统的输出控制以及监视输入信号的功能［4］。模拟量输入单元选用S7-200型的EM231模块，其拥有四通道模拟输入。为增强输入信号的抗干扰能力，采用差分和隔离式，同时该模块分辨率为12位，模数转换速率为5μA［5］，测试精度上完全能够满足控制系统对空压机排气压力和温度的检测需求。

3.2 变频控制系统选型与设计

本文将高压变频调速技术引入了空压机控制系统中，将压力变送器采集到的压力信号作为反馈信息，通过PLC实现变频器以PID控制方式调节空气压缩机恒压供气运行，同时达到节能降耗的目标。煤矿上一般使用螺杆式空气压缩机进行工作，其基本参数为额定电压380V，额定电流440A，频率50Hz，功率220kW。基于此，选用丹弗斯变频器VLT6000，额定功率为250 kW，并采用“一拖多”运行方式，该变频器适用于空气压缩机这种重载启动的装置，安全可靠性高，易于控制。

为避免短路或过载现象对变频器造成损坏，采用RS3系列熔断器作为短路保护。RS3系列熔断器适用于交流电路，要求额定电压不超过750V，频率为50 Hz，可用于可控硅元件及其组成的成套装置的短路或过载保护［6］。

3.3 压力变送器选型

压力变送器主要用于检测排气口的风压大小，以模拟量的形式输入到PLC控制系统中，为PLC智能调节变频器频率提供一个反馈信息，最终使空压机输出的风压信号变为可调。根据该系统的设计需求，选用HXT61扩散硅压力变送器，该压力变送器是一种本质安全型防爆变送器，自带不锈钢隔离膜片，其可靠性高、小巧便携、测量范围宽，适用于一般爆炸性环境条件。

3.4 温度变送器选型

温度变送器主要用于检测空压机的排气温度值，一旦该温度值超过设定值，则启动报警功能，若发生严重超温状态，则关闭系统开启保护功能。井下空压机与井上空压机对于报警阈值的要求不同。本系统选用RWB型温度变送器进行温度检测，该型号变送器由温度传感器、信号转换放大模块组成，可与显示设备以及其他控制设备配套使用，内置热电阻和热电偶作为测温元件。具体工作原理为：由测温元件检测温度信号，然后进行稳压滤波、运算放大，再经非线性校正电路校正，转换成与温度成线性关系的4mA～20mA标准电流信号输出。

4 软件设计

4.1 下位机程序设计

下位机编程软件采用西门子公司的专用PLC编程软件STEP7-V5，并采用梯形图语言进行编程，该图形语言简单直观、易于学习，适用于具有数字方式的逻辑操控场合［7］。

为减少程序设计工作量，便于后期调试及维护，采用结构化方式进行编程，将整个系统的功能划分为多个子程序模块，在主程序中设定好系统逻辑功能，然后统一由主程序进行调用，实现功能需求。本系统设计的程序包括主程序、压力检测子程序、排气温度检测子程序、RS485通信子程序、故障分析子程序等。其中，压力检测子程序流程如图2所示。其中，P1、P2、PH、PL分别为一级排气压力、二级排气压力、高压阈值、低压阈值。

图2 压力检测子程序流程

4.2 上位机监控软件设计

为实现对煤矿空压机组的远程监控，该系统采用组态王软件开发了一个上位机监控系统。组态王软件是新型的工业现场集控软件，具有开发快速、扩展性强、开放和适应性强等优势［8］。通过该软件，将控制系统划分为管理、监测和控制三层，不仅实现对现场的监测，还能实现远程控制的功能。软件同时为工作人员提供了友好的图像监控功能，具备表格、图形图像和曲线等交互模式，方便工作人员实时监控现场。本系统的计算机监控软件界面分为主界面、历史界面、报警和报表界面等，这些界面都通过以太网分别连接着井上井下的各个PLC控制系统，图3为监控软件人机界面结构框图。

图3 监控软件人机界面结构框图

5 结论

本文基于传统空压机控制系统，引入了高压变频调速技术、传感器检测技术、计算机技术，提出一种新型的空压机变频调速控制系统。该系统可以根据煤矿排气口风压的变化通过变频器自动调节空压机的运行状态，具有高低压、过温预警功能，并且可以实现对空压机组的远程监控。经现场调试和运行表明：该系统能够自动控制供气过程，实现了机组恒压供气，有效降低了能耗；监控软件功能可靠齐全，人机界面友好，具有一定的实用性和社会推广价值。