PLC在矿井空压机控制系统改造设计中的应用.doc

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1、 本科毕业论文（设计）论文题目：PLC在矿井空压机控制系统改造设计中的应用学生姓名： 所在院系： 机电学院所学专业： 机电技术教育导师姓名：完成时间：摘 要针对矿井旧空压机控制系统中存在的体积庞大、接线复杂、机械触点多、排除故障困难、可靠性差、自动化程度低、浪费电能等缺陷,设计了一种基于先进PLC和变频器控制技术的矿井空压机控制系统,详细讨论了系统的结构、控制方案、工作原理、硬件与软件设计方法。该控制系统具有功能完善,运行稳定,可靠性高,便于维护,节能效果明显等特点,提高了生产效率和经济效益,具有很好的应用前景。同时该控制系统若配置相应的通信模块和上位计算机,可方便地组成集散式控制系统,对现场

2、设备的运行状态进行监控,实现远程控制,提升企业生产的自动化程度。关键词：矿井，空压机，PLC，变频器，压力检测PLC in mine pit air compressor control system transformation design applicationAbstract The volume which exists in view of the mine pit old air compressor control system in is huge, the wiring complex, the mechanical electronic contact are many,

3、 the trouble clearing difficulty, the reliability are bad, the automaticity is low, flaws and so on waste waste, have designed one kind based on advanced PLC and the frequency changer control technology mine pit air compressor control system, discussed systems structure, the control plan, the princi

4、ple of work, the hardware and the software design method in detail. This control system has the function to be perfect, the movement is stable, the reliability is high, is advantageous for the maintenance obviously, the energy conservation effect and so on characteristics, raised the production effi

5、ciency and the economic efficiency, has the very good application prospect. Simultaneously if this control system disposes the corresponding connection module and the superior computer, but composes the collection and distribution type control system conveniently, carries on the monitoring to field

6、apparatuss running status, realizes the remote control, the automaticity which the promotion enterprise produces.Keywords：Mine shaft, Air compressor, PLC, Frequency changer, Pressure examination目 录摘 要IAbstractII1 绪论12 电机的调控技术的发展现状13 电机调速方式23.1 调速控制节能分析23.2 常用的调速方式33.2.1 变级对数调速43.2.2 变频调速43.2.3 可控硅串级

7、调速53.3 多台空压机恒压控制系统中的关键问题63.4 本文的主要研究内容64 变频调速恒压提供压缩空气系统能耗机理分析74.1 离心式空压机及其工况点确定的研究84.1.1 空压机分类:84.1.2 空压机工况点分析84.2 空压机的调速度方式94.2.1 空压机的高效调度方式94.2.2 调速范围的确定114.3 变频调速的优点分析115 变频调速恒压系统设计125.1 系统的方案设计及具体要求125.1.1 系统的总体方案设计125.1.2 控制系统的具体设计要求为：135.1.3 空压机控制总体设计方法135.2 系统硬件设计145.2.1 硬件电路设计145.2.2 系统控制电路设

8、计155.2.3 系统软件设计及变频器主要功能的预置166 结束语18致谢19参考文献191 绪论 煤矿矿井空压机是煤矿矿井生产的重要组成部分，它生产压缩空气，用以带动凿岩机、风动装岩机等设备及其他气动工具。煤矿矿井空压机能否正常工作与矿井其它机器能否正常运转、生产效率的提高密切相关。随着我国政府对各行各业安全生产监管力度的不断加强，尤其对煤矿安全生产的要求越来越高，对矿井空压机系统进行技术改造，提高其运行稳定性、可靠性、节能降耗等势在必行。目前在煤矿矿井空压机控制系统中，大多仍采用继电接触器控制系统，但这种控制系统存在着体积大机械触点多接线复杂、可靠性低、排除故障困难等很多的缺陷;且因工作空

9、压机一直高速运行，备用机停止，且空压机的工作效率不高，不能轮休工作，易使工作空压机产生故障，降低使用寿命，并且浪费严重。针对上述一系列问题，本课题采用PLC和变频器控制技术对其进行改造。保留其原有的手动控制系统，分别增加一台PLC和变频器及辅助控制单元，与压力传感器一起组成了各自的闭环控制系统。并通过与上位机的数据通信，将数据上传到上位机实现数据的处理、管理与状态监控，每天24小时不间断按预先设定的管网压力恒定地向矿井提供恒定压力的压缩空气，保证了矿区的不间断生产。利用压力检测技术实现对矿井空压机系统的自动控制，根据所需压力的大小自动调节空压机电机的转速，提高了空压机的效率，使主机和备用机轮换

10、工作，提高了矿井空压机系统稳定性和安全性，节能效果显著，且PLC控制系统具有对驱动空压机的电机过热保护，故障报警等功能特点为煤矿矿井空压机系统的节能技术改造提供了一条新途径。通过该项目的应用，不仅能够节约电资源，降低了生产成本，减少设备维护，降低维修成本;而且提高了整个矿区的生产调度管理水平，减轻工人劳动强度，有效的提高了生产率。由于矿井空压机的自动化技术改造在我国有着广泛的应用前景，本控制系统具有较大的发展潜力和较高的推广价值。2 电机的调控技术的发展现状在国内外矿区、工业生产和产品加工制造业中，空压机设备应用范围广泛。其电能消耗和诸如阀门等相关设备的节流损失以及维护、维修费用占到生产成本的

11、7%-25%，是一笔不小的生产费用开支。因此如何做到在既满足生产要求的同时，又能达到降低能耗的目的，则成为国内外研究的主要议题,而八十年代初发展起来的变频调速技术，正是顺应了工业生产自动化发展的要求，开创了一个全新的节能调速时代。从80年代初通用变频器问世以来，经过近20年，通用变频器更新换代了五次:第一代是80年代初模拟式通用变频器，第二代是80年代中期数字式通用变频器;第三代是90年代初智能型通用变频器;第四代是90年代中期的多功能型通用变频器，最近研制上市第五代集中通用变频器。目前国外变频调速技术发展较快，性能也非常好，在各行各业中得到了广泛的应用，如日本富士、瑞典ABB、德国西门子等变

12、频调速系统应用领域非常广泛。国内变频调速技术发展较慢，产品性能较差，很难满足连续化工生产的需求，而且无法实现闭环自动控制。因此国内使用单位主要以进口为主，很少使用国内生产的产品。对风机类机器的控制以前多采用继电器-接触器控制，故障率高，可靠性低，而近年来随着控制技术的不断发展，利用PLC代替继电器-接触器则大大的改善了控制系统的性能，目前，PLC系统已朝向人机界面更加友好，网络通讯能力大大加强，开放性和互操作性大大发展，处理功能进一步增强，与以太网的融合的方向发展1。3 电机调速方式3.1 调速控制节能分析 空压机的设计负荷是按最不利条件下最大时流量及相应压力设定的。但实际运行中空压机每天只有

13、很短的时间用气最大，其压缩空气量随外界用气情况在变化。因此空压机不能总保持在一个工况点，需要根据实际情况进行控制。通常采用的方法有阀门控制和调速控制。阀门控制是通过增加管道的阻抗而达到控制流量的目的，因而浪费了能量;而电动机调速控制可以通过改变电动机的转速来变更空压机的工况点，使其空缩空气量适应管网用气量的变化，维持压力恒定，从而达到节能效果。由流体力学可知，空压机给管网供气时，空压机的输出功率P与管网的气压H及气流量Q的乘积成正比;空压机的转速n与空气流量Q成正比:管网的气压H与压缩空气量Q的平方成正比。由上述关系有，空压机的输出功率P与转速n的三次方成正比，即: （1） （2） （3） （

14、4） 式中k, k1 k2, k3为比例常数。当系统压缩空气量减小时，通过变频调速装置将空压机转速调小，则空压机的输出功率将随转速的变化而减小。变频调速节能原理图如图1所示。图中曲线1, 2, 3为管网阻力特性曲线，曲线4为电机转速为n1时的运行特性曲线，曲线5为空压机转速为n2，时的运行特性曲线。图1 变频调速节能原理图空压机原来的工作点为曲线3和曲线4的交点A，此时压缩空气量为Q1，管网压力为H1,，电机转速为n1,。当系统的压缩空气量减小到Q2时，系统管网特性为曲线1，曲线1和曲线4的交点B为运行工作点。此时管网压力为H2，水泵的输出功率正比于H2Q2。由于H2H1高出的压力能量被浪费了

15、，同时过高的压力对管网和设备还可能造成危害。如采用变频调速装置，将此时空压机的转速调至n2，曲线5和曲线2的交点C为空压机的运行工作点。调速后管网的压力仍保持为H1，压缩空气量为Q2，空压机的输出功率正比于H1Q2级。从图中可见阴影部分正比于浪费的功率输出。例如，当Q2为Q1的80%时，通过调速将n2调为n1的80%则空压机的输出功率P2为P1的51.2%。如不采用调速控制，48.8%的能量将被浪费。可见变频调速的经济效益十分可观2。3.2 常用的调速方式空压机多配用交流异步电机拖动，当电机转速降低时，既可节约能量，经济效益十分显著。由异步电动机的转速公式: (5)式中，n0一异步电动机的同步

16、转速，r/min; n一异步电动机转子的转速r/min; P一电动机的磁极对数;f一电源频率，电动机定子电压频率;S转速差，S=100% 改变电动机极对数P、改变转速差S及改变电源频率f都可以改变转速。3.2.1.变级对数调速在电源频率一定的情况下，电动机的同步转速与极对数成反比，改变电动机极对数，就可以改变转速。通过改变定子绕阻的接线方法来改变极对数，如图2。以电动机一相绕组为例，电流方向都是由A指向X，只要改变定子绕组的连接方法，就可以成倍地改变磁极对数P。如果使P =1, 2. 3等，就可以得到n0=3000, 1500, 1000( r / min)等不同的同步转速，从而得到不同的转子

17、转速。这种调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有极调速，而且级差比较大，只适用于特定转速的生产机器3。图2 变极原理图3.2.2 变频调速变频调速是将电网交流电经过变频器变为电压和频率均可调的交流电，然后供给电动机，使其可在变速的情况下运行。改变电动机定子频率就可以平滑地调节同步转速n0，相应地也就改变转子转速n，而转差率S可保持不变或很小。但对电动机来说，定子频率改变后，其运行影响，如果电压不变，频率增加时，磁通减少，电动机转矩下降，严重时会使电机堵转；频率减少，磁通增加，会使磁路饱和，励磁电流上升，导致铁芯损失急剧增加而发热，是不允许的。因此，在实用上，

18、要求调频的同时，改变定子电压，保持磁通基本不变，既不使铁芯发热，又保持转矩不变。 实现调频调压的变频器有两种:交一直一交变频器，交一交变频器4，见图3所示。（1） 交一直一交变频器它是由三个环节组成:可控硅整流电路，其作用是将定电压、定频率的交流电变为电压可调的直流电;可控硅逆变电路，其作用是将整流电路输出的直流电变换为频率可调的交流电;滤波环节，它在整流电路和逆变电路之间，一般是利用无电源电容或电抗器对整流后的电压或电流进行滤波。图3 变频器的种类在交一直一交变频器中，根据滤波方式不同，又有电压型变频器和电流型变频器。近年来，由于电力电子器件和微机控制技术的发展，脉冲宽度调制型(简称PWM

19、)变频器技术获得了飞速的发展。PWM变频器也有电压型和电流型两种，目前以电压为主，由不可控整流电路、滤波电容及逆变电路组成。他不仅可改变逆变器输出电压，而且具有抑制谐波功能，是一种比较理想的方式。（2) 交一交变频器 它是由两组反并联的整流电路组成，直接将电网的交流电通过变频电路同时调节电压和频率，变成电压和频率可调的交流电输出。 交一交变频器由于直接交换，减少换流电路减少损耗，效率高，波形好，但调速范围小，控制线路复杂，功率因数低，目前较少采用。 变频技术对空压机电动机进行调速，以获得良好的运行特性和明显的节能效果，是目前常用的技术。3.2.3 可控硅串级调速它是把异步电动机转子电势经过整流

20、一逆变后回馈给电网差功率。当改变逆变角时，逆变电势、转差功率、转差率都将随之改变，从而达到调速的目的。如图4示出晶闸管串级调速原理图。由图可见，异步电动机转子电势E2s经晶闸管整流后变为直流电压U2S，再由晶闸管逆变器将Uf逆变为交流，功率经变压器ZB或不用ZB而直接反馈给交流电网。这时逆变器端电压Uf可视为加到异步电动机转子电路的电势Ef，控制逆变角就可改变Uf，也就是改变了引入转子电路的电势Ef，从而实现了异步电动机的串级调速。图4也表明了功率转换过程。如忽略损耗，异步电动机的输入功率就是电磁功率PM，输出机械功率为（1-s）PM，转差功率为sPM，反馈给电网的功率为P=sPM.控制反馈功

21、率P即可调节异步电动机的转速。图4 串级调速原理图串级调速的最大优点是由于它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好，但出于线路过于复杂，还需一台与电动机相匹配的变压器，增加了中间环节的电能损耗，带来了成本高，占地面积大等缺点而影响它的推广价值。3.3 多台空压机恒压控制系统中的关键问题交流异步电动机直接起动所产生的电流冲击和转矩冲击会给供电系统和拖动系统带来不利影响，故对于容量较大的异步电动机一般都要采用软起动方案。采用变频器带动电机从零速开始起动，逐渐升压升速，直至达到其额定转速或所需的转速，此时变频器同时承担了软启动的任务。变频软起动的优点是由于采用电压/频率按比例控制方法，所以不会

22、产生过电流，并可提供等于额定转矩的起动力矩。多台空压机恒压供气系统为了提高变频器的使用效率，减少设备的投入费用，常采用一台变频器拖动多台电机变频运行的方案。当变频器带动电机达到额定转速后，就要将电动机切换到工频电网直接供电运行，变频器可以再去起动其他的电动机。这样就不可避免地要进行电网和变频器之间的相互切换操作. 矿井用空压机，在不同时段的用气量具有明显的差异，负荷变化较大，为保障正常供气，必须解决压力不断减弱和不稳定问题。目前通常采用恒速空压机组切换加压供气的方式。在这种式作方式中，因供气空压机拖动电机一直处于高速运行而造成较大的能量损耗。因而在设计思想上以查询方式为主，中断方式为辅，采用模

23、糊控制法对系统PID参数进行整定，这样大大提高了系统的适应性，使用户减少了调试的工作量，同时系统的体积很小，抗干扰能力大大增强5。3.4 本文的主要研究内容经过系统的调研和分析，并结合矿区的生产实际，本次研究的主要内容和目标是基于PLC的单台变频器拖动多台电机变频运行的恒压供气自适应平衡控制系统的研制，该系统利用变频器实现空压机电机的软起动和调速，代替了原有的自藕降压起动装置，同时把电机控制纳入自动控制系统。整个系统的操作控制实现微机自动化管理，设备管理达到最优效果，运行调节达到最佳节能，运行参数有记录。具体而言，论文包括以下内容:（1） 对空压机电机的调控技术进行分析和比较，并对多台空压机恒

24、压控制系统中的关键问题进行了论述;在此基础上，提出了本文的主要研究内容和研究方法。（2） 从空压机理论和管网特性曲线分析入手，讨论空压机工作点(工况点)的确定方法和空压机工况调节的几种常用方法。在变频调速恒压控制系统中，空压机工况的调节是通过改变空压机性能曲线得以实现的。本文重点对变频调速恒压供气系统中空压机能耗机理进行深入研究，得出一些有益的结论。（3） 介绍了基于PLC的变频调速恒压自动控制供气系统，该系统由一台变频器拖动多台空压机电机变频运行。压力传感器采样管网压力信号经PID处理传送给变频器，变频器根据压力大小调整电机转速，改变空压机性能曲线来实现空压机压缩空气量的调节，保证管网压力恒

25、定。重点对变频调速恒压控制系统的构成和工作过程，控制系统的硬件设计和PLC程序设计进行研究。 （4） 通过对PID控制器的基本原理的介绍，简要的分析德国SIMENS公司的S7 200系列CPU中的PID算法的实现。运用STEP7 MicroWin编程软件设计一个用于系统压力控制的PID控制器，并通过现场工业试验，调整和检验PID算法的重要参数。4 变频调速恒压提供压缩空气系统能耗机理分析空压机已经成为矿井正常生产所必备的设备之一，我国矿区生产已普遍采用了高效空压机，但实际运行效率并不高，其主要原因之一是空压机的调速性能差，二是运行点远离空压机的最高效率点。这是因为在设计过程中，很难精确地计算出

26、管网的阻力，并考虑长期运行过程中可能出现的问题，通常是把系统所需最大空气压力作为选择空压机和电机的设计值。但空压机的型号和系列是有限的，往往选用不到合适的空压机型号时，只好往大机号上靠。这样，空压机的效率自然就不会高了。为了解决矿井空压机供压不稳及节能等问题，我们设计了基于PLC的采用变频调速节能恒压控制系统。据统计若采用变频调速技术来改变流量，可节约2050%，其节能效果相当可观3。采用变频调速恒压供气系统和传统恒速供气系统相比，具有气压稳定、维护方便、占地面积小、节约能源和减少对空压机组设备的冲击等优点4。在讨论变频调速恒压供气的节能机理之前，有必要讨论分析空压机机及空压机机工况调节等相关

27、理论。4.1 离心式空压机及其工况点确定的研究4.1.1 空压机分类:空压机分为螺杆式空压机，螺杆式空压机又分为单螺杆空压机及双螺杆空压机，离心式空压机，活塞式空压机，滑片式空压机，涡旋式空压机，旋叶式空压机。离心式空压机具有带叶片的工作轮，当工作轮转动时，叶片就带动气体运动或者使气体得到动能，然后使部分动能转化为压力能从而提高气体的压力。这种压缩机由于它工作时不断地将空气吸入，又不断地沿半径方向被甩出去，所以称这种型式的压缩机为离心式压缩机。4.1.2空压机工况点分析按照液体机械的相似定律，空压机的流量Q、压力H、轴功率P与转速n之间有如下关系： (5)离心式空压机在变速调节的过程中，如果不

28、考虑系统管道阻力R的影响，且风压H随流量Q成平方规律变化，则空压机的效率可在一定范围内保持最高效率不变（只有在负荷率低于80%是才略有下降）。图5示出了离心式空压机不同调节方式耗电特性比较，图6示出了采用风门调节和转速调节时，空压机的效率流量曲线。由图6可知：在空压机的风量由100%下降到50%时，变速调节与风门调节方式相比，空压机的效率平均高30%以上。因而，从节能的观点来看，变速调节方式为最佳调节方式。同时，采用变速调节以后，可以有效地减轻叶轮和轴承的磨损，延长设备使用寿命，降低噪声，大改善起动性能。工艺条件的改善也能够产生巨大的经济效益6。4.2 空压机的调速方式 空压机的流量和压力调节

29、方式可分为非变速调节和变速调节两大类，非变速调节方式有节流调节，分流调节，前导叶调节等，非变速调节不是本文讨论的主要内容，这里不加详细叙述。各种调速方式的差别，主要表现在对转差率的处理上。空压机的常用变速调节方式如下：1 转差功率消耗型（属低效调速方式）（1）液力耦合器调速；（2）液力调速离合器（离合器）调速；（3）电磁转差离合器（滑差电动机）调速；（4）鼠笼式异步电动机定子调压调速；（5）绕线式电动机转子串电阻调速。2 转差功率回馈型（属高效调速方式）绕线式异步电动机的串极调速。3 转差功率不变型（属高效调速方式）（1）变极调速（多速电机）；（2）变频调速；（3）直流电动机调速。4.2.1

30、空压机的高效调度方式由电机学原理可知，交流电动机的同步转速n0与电源频率f1、磁极对数P之间的关系式为 （r/min） （7）异步电动机转差率s的定义式为 （8）则可得异步电动机的转速表达式为 （9）可见，要调节异步电动机的转速，可以通过下述三个途径实现：（1）改变定子绕组的磁极对数P（变极调速）；（2）改变供电电源的频率f1(变频调速)；（3）改变异步电动机转差率s调速。改变定子绕组磁极对数的调速方式称为变极调速；改变电源频率的调速方法称为变频调速，都是高效调速方法。而改变异步电动机转差率的调速方法则称为能耗转差调速（串级调速除外），它是一种低效的调速方法，因为调速过程中产生的转差功率都变成

31、热量消耗掉了，绕线式电动机转子串电阻调速和定子调压调速就属于这种调速方式。本文主要讨论变频调速方式，其它调速方式不做详细叙述。在变频调速恒压控制系统中，通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n0改变空压机的转速，可以使空压机性能曲线改变，达到调节水泵工况的目的。当管网负载减小时，通过VVVF降低交流电的频率，电动机的转速从n1，降低到n2。另外根据离心式空压机工作原理和相似理论，改变转速n，可使空压机压缩空气流量Q,压力H和轴功率P以相应规律改变。 （10） （11）从上述比例律公式中消去n2/n1就得到式(12) 即 （12）式（12）是顶点在坐标原点的二次抛物线族的方程，在这种抛物线

32、上的各点具有相似的工作状况，所以称为相似工况抛物线。在变频调速恒压供气系统中，单台空压机工况的调节是通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n，从而改变空压机性能曲线得以实现的。其工况调节过程可由图7来表示。如图7所示:空压机运行工况点D是空压机的特性曲线NN与管路曲线R1的交点。用阀门控制时由于要减小流量而关小阀门，使阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从R移到R1 ，压力则从Ho升到H1,流量从Q2减小到Q1。运行工况点从D点移到A点。图7 变频调速恒压供气空压机工况调节图用调速控制时，阻力曲线R，原样小变，空压机的特性取决于转速，如果把速度从NN降到N1，特性曲线也从NN移到N1。结果运行工

33、况点从D点移到C点，压力从H0下降到H3,流量从Q2减小到Q1。根据公式求出运行在A点、C点空压机的轴功率之差为: （13）也就是说用阀门控制流量时有P功率是被浪费掉的。而且随着阀门不断关小这个损耗还要增加。用转速控制时流量Q、压力H、功率P和转速N之间的关系可由公式（6）表示。即可概括为:流量Q与转速n成正比;压力H与转速n的平方成正比;轴功率P与转速n的立方成正比。由以上分析可知，利用变频调速实现恒压供气，当转速降低时，功率以转速的三次方下降，与恒速供气方式中用闸阀增加阻力的节流方式相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能7。4.2.2 调速范围的确定空压机转速的工况调节必须限制在

34、一定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免空压机在低效率段运行。空压机的调速范围由空压机本身的特性和用户所需压力规定，当选定某型号的空压机时即可确定此空压机的最大调速范围，在根据用户所需求的最大空气压力确定具体最低调速范围。4.3 变频调速的优点分析空压机的工作点就是同一坐标系中空压机的性能曲线和管路性能曲线的交点，由于空压机工作点是空压机运行的理想工作点，实际运行时空压机的工作点并非总是固定不变的。本章讨论了空压机工作点(工况点)的确定方法。在变频调速恒压供气系统中，空压机工况的调节是通过改变空压机性能曲线得以实现的。通过对变频调速恒压提供控制系统中空压机能耗机理进行深入研究，得出

35、了以下结论:（1）在空压机变频调速恒压控制系统中，单台空压机工况的调节是通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n，从而改变空压机性能曲线得以实现的。（2）分析空压机工况点阀门调节和变速调节能耗比较图，可以看出利用变频调速实现恒压供气，当转速降低时，功率以转速的三次方下降，与恒速方式中用闸阀增加阻力的节流方式相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能。（3）空压机转速的工况调节需要限制在一定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免空压机在低效率段运行。5 变频调速恒压系统设计5.1 系统的方案设计及具体要求5.1.1 系统的总体方案设计由前面的分析，为保障矿区正常生产，必须解

36、决压力不断减弱和不稳定问题。目前通常采用恒速空压机组切换加压供气的方式，这种运行方式，因空压机拖动电机一直处于高速运行而造成较大的能量损耗。为了解决矿井空压机能够提供压力稳定的压缩空气及节能等问题，我们设计了基于PLC的空压机恒压控制系统。该系统采用模糊控制算法，将PLC与交流变频调速技术相结合，可实现矿井空压机控制系统的节能改造。图8 空压机恒压供气系统1、 吸风口；2、空气滤清器；3、阀门；4、空气压缩机、5止回阀；6、压力传感器采用4台变频调速装置构成一个完整的微机控制恒压供气系统，如图8所示。系统通过调节压缩空气量，保证管网压力恒定（误差0.01 MPa），实现对空压机恒压变量控制方式

37、，从而达到节能的目的，满足矿井用气的需要。5.1.2 控制系统的具体设计要求为：（1） 4台空压机能自动变频软起动，并根据压缩空气用量大小自动调节开启空压机的台数。（2） 电控自动状态时，4台空压机自动轮换变频运行，工作空压机故障时备用空压机自动投人，可转换自动或人工手动开、停机。（3） 设备具有缺相、欠压、过压、短路、过载等多种电气保护功能，具有相序保护防止空压机反转，并具有故障报报警停机的功能。（4） 有设备工作、停机、报警指示。5.1.3 空压机控制总体设计方法采用一台变频器控制4台空压机的“一控四”切换方案。以西门子S7-200（CPU224）的PLC和MICROMASTER 430系

38、列风机和泵类专用型变频器为控制核心，采用变频率控制的闭环控制系统，通过对用户管网压力进行实时采样，并与设定压力值比较，根据压力偏差来控制变频空压机的转速及定量空压机的起、停，实现恒压变量的提供压缩空气，从而更好地达到节能的效果。当用户管网压力低于设定压力时，控制器通过压力传感器检测，输出控制信号起动其中一台空压机作变频运行，通过控制变频空压机使管网压力与设定压力值相符。如用气量较大，变频器输出频率为50 Hz，变频空压机转速达到最高，管网压力仍低于设定压力，控制器将变频空压机切换成工频运行，待变频器输出频率下降至最低值时再接通另一台空压机，由一台工频和一台变频空压机同时提供压缩空气。经过变频空

39、压机的调节，如果管网压力仍低于设定值，控制器以同样的方式将运行频率为50 Hz的变频空压机切换成工频运行，而后继续起动另外一台空压机作变频运行，直至管网压力与设定压力值相符。当矿井用气量较少，变频空压机转速降到一定程度时，控制器自动停止最先运行的空压机，并根据管网压力调整变频空压机转速，使管网压力始终保持恒定。这样每台空压机的起动均经变频器控制，全部机组实现循环软起动，即每台空压机的起动频率都从设定的最低频率开始逐渐上升，并遵循“先开的先停，先停的先开”的原则。当外来管网压力达到设定压力值时，则控制器完全停止各空压机工作，由外界管网和储气罐向矿井供气。5.2 系统硬件设计5.2.1 硬件电路设

40、计图9 系统硬件电路图（1） 本系统的硬件电路如图9所示，它由4台离心式空压机，一台智能型电控柜（包括西门子变频器、PLC、交流接触器、继电器等），一套压力传感器、断相相序保护装置以及供电主回路等构成。该系统的核心是S7-200（CPU224）和MICROMASTER 430。MICROMASTER 430是泵和风机类专用变频器，扩展功能强CPU224集成了14点输入10点输出，共有24点数字量I/0，其模拟量扩展模块具有较大的适应性和灵活性，且安装方便，满足设计需要。（2） 系统主电路图10 系统主电路如图10所示，该系统有4台电动机，分别拖动4台空压机。合上空气开关后，当交流接触器KM1、

41、KM3, KM5、KM7主触点闭合时，电动机为工频运行；当KM2、KM4、KM6、KM8主触点闭合时，电动机为变频运行。4个热继电器KR1KR4分别对4台电动机进行保护，避免电动机在过载时可能产生的过热损坏。5.2.2系统控制电路设计（1）系统控制电路图11 系统控制电路如图11所示，Q0.0Q0.7为PLC输出软继电器触点，其中Q0.0, Q0.2, Q0.4, Q0.6控制变频运行电路；Q0.1、Q0.3、Q0.5、Q0.7控制工频运行电路。SA为转换开关，实现手动、自动控制切换。当SA切在手动位时，通过SB1SB4按钮分别起动4台水泵工频运行,SB5SB8按钮分别停止4台空压机工频运行当

42、SA在自动位时，由PLC控制水泵进行变频或工频状态的起动、切换、停止运行。（2）PLC及变频器控制模块电路PLC及变频器控制模块是本系统的核心，它包括时间控制电路、故障报警保护电路、断相相序保护电路。如图12（见下页）所示，KT是时间继电器。5.2.3 系统软件设计及变频器主要功能的预置本系统稳定运行的关键是PLC程序的合理性、可行性和变频器功能的预置问题。图12 PLC及变频器控制模块电路5.2.3.1 PLC程序设计 （1） 输入、输出地址及功能表（I/O表），如表1所示。表1 PLC的输入输出地地址及功能（I/O表）输入地址功 能输出地址功 能I0.1启动Q0.0KM2动作（1#变频）I

43、0.2模拟调节上限Q0.1KM1动作（1#工频）I0.3模拟调节下限Q0.2KM4动作（2#变频）I0.4复位Q0.3KM3动作（2#工频）I0.5时控信号输入Q0.4KM6动作（3#变频）I0.6Q0.5KM5动作（3#工频）I0.7Q0.6KM8动作（4#变频）I0.8Q0.7KM7动作（4#工频）（2） 程序设计思路由于空压机系统是一个惯性较大无法突变的系统，不需要过高的响应速度，因而在设计思路上以查询方式为主，中断方式为辅，采用模糊控制法对系统PID参数进行整定，这样大大提高了系统的适应性，使用户减少了调试的工作，同时系统的体积很小，抗干扰能力大大增强。本系统PLC控制程序由主程序和4

44、个子程序组成，如图13所示。图13 PLC控制主程序流程图5.2.3.2 变频器主要功能的预置虽然空压机对系统调速的精度要求不高，但要使系统运行性能稳定，工作可靠，就必须正确设置变频器的各种性能。变频器功能的设定通过变频器操作面板上的相关按键确认。1 频率功能的预置（1）最高频率 空压机属于平方律负载，当转速超过其额定转速时，转矩将按平方规律增加，导致电动机严重过载。因此，变频器的工作频率是不允许超过额定频率的，其最高频率只能与额定频率相等，即fmaxf050Hz,（2）上限频率 一般说来，上限频率以等于额定频率为宜。但有时也可以预置得略低一些，原因有二：一是变频器内部有转差补偿功能，同在50

45、Hz的情况下，空压机在变频运行时的实际转速要高于工频运行时的转速，从而增大了空压机和电动机的负载二是变频调速系统在50 Hz下运行时，还不如直接在工频下运行，可以减少变频器本身的损失。因此，将上限频率预置为49Hz或49.5 Hz是适宜的。（3） 下限频率 在空压机系统中，转速过低，会出现空压机的出口压力小于实际压力，形成空压机“空转”的现象。所以，下限频率不能太低。（4） 起动频率 空压机在起动时，如果从0Hz开始起动，空压机没有压力输出，为减少调节时间，应预置起动频率值为1520Hz，即设置变频器PID输出值的下限为最大值的30%40%。 2 升速、降速时间由于空压机电动机不需频繁的起、停

46、，对于起、停时间无严格要求。整定变频器的升、降速时间时主要考虑升、降速时间过短，变频器可能因过流或过压而跳闸；升、降速时间过长，则会使变频器调速系统反应迟缓，造成管路中欠压或超压时间过长，满足不了恒压控制要求。因此，升、降速时间的确定，应根据现场的实际情况来决定。6 结束语本文介绍了基于PLC的变频调速的空压机恒压自动控制系统，由一台变频器拖动多台空压机电机变频运行。压力传感器采样管网压力信号经PID处理传送给变频器，变频器根据压力大小调整电机转速，改变水泵性能曲线来实现空压机的流量调节，保证管网压力恒定。工作可主要概括如下:（1） 变频调速恒压系统构成由可编程控制器、变频器、空压机电机组、压力传感器、工控机以及接触器控制柜等构成。系统采用一台变频器拖动4台电动机的起动、运行与调速，分别采用循环使用的方式运行。压力传感器采样管网压力信号，变频器输出电机频率信号，这两个信号反馈给PLC的PID模块，PLC根据这两个信号经PID运算，发出指令，对空压机电机进行工频和变频之间的切换。PLC