煤礦螺桿式空壓機自動控制系統(tǒng)的改造

螺桿式空壓機是煤礦企業(yè)的重要機械設備之一，使用空壓機產生的空氣可以為井下風動機械設備提供動力，同時為巷道送入必要的空氣，提供井下工作安全系數(shù)。傳統(tǒng)的螺桿式空壓機控制系統(tǒng)多采用繼電器實現(xiàn)控制，其缺點是能耗大、啟動電流高、對設備器件沖擊較大，影響空壓機使用壽命，同時其控制精度不高，穩(wěn)定性較差。在當前提高煤礦設備自動化水平、提高能源使用效率的趨勢下，使用新技術對空壓機控制系統(tǒng)實現(xiàn)改造，實現(xiàn)一種穩(wěn)定高效、控制準確、節(jié)能效果明顯的空壓機自動控制系統(tǒng)十分必要。

1 改造系統(tǒng)的技術與方案

1.1 使用的三項主要技術

（1）變頻調速技術：針對傳統(tǒng)螺桿式空壓機控制系統(tǒng)中控制精度不高，啟動電流過大及能耗較大等缺點，采用變頻器代替繼電器實現(xiàn)流電動機進行調速，從根本上解決了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的突出問題。

（2）PLC技術：PLC又稱可編程控制器，是在繼電器與計算機技術的基礎上發(fā)展來的工業(yè)控制裝置，具有結構簡單、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強等優(yōu)點，適合在煤礦這樣的工作環(huán)境較為惡劣的條件下工作。

（3）RS-485總線技術：系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)傳輸需要使用總線技術，本改造系統(tǒng)中使用的總線是RS-485，485總線由于其布線簡單，傳輸穩(wěn)定可靠，在眾多控制領域都有廣泛的應用。

1.2 改造系統(tǒng)總體方案

整個系統(tǒng)使用的設備包括控制中心PLC、變頻器、互感器、壓力變頻器、空氣開關等，主要通過系統(tǒng)對管網壓力的信息采集與控制，實現(xiàn)自動壓力調節(jié)，通過PID調節(jié)器將壓力調節(jié)在預設范圍內，具體控制方案由PLC程序實現(xiàn)。整個系統(tǒng)的控制原理圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)改造的實現(xiàn)

2.1  系統(tǒng)硬件配置

（1）PLC部分：改造系統(tǒng)中使用的PLC選用了西門子S7-300系列，主要功能是完成空壓機的各種控制。 其硬件配置主要如下：CPU模塊使用CPU315-2DP，該模塊可以擴展到1024點數(shù)字量或128個模擬量通道，可以滿足空壓機的控制需要。電源模塊選用PS307，數(shù)字量輸入模塊與輸出模塊分別選用SM32與SM322。輸入模塊將采集到的空壓機狀態(tài)信息，包括運行狀態(tài)、故障信息、輔助設備狀態(tài)等傳入PLC處理。輸出模塊實現(xiàn)PLC對空壓機的控制信息輸出，控制信息包括啟動、停止、加載、卸荷、急停等。為實現(xiàn)與上位機的通信功能，采用RS-485總線方式完成數(shù)據(jù)傳輸，通信模塊采用了CP341，CP341模塊利用基于RS-485總線的Modbus協(xié)議，與控制變頻器及各種執(zhí)行機構，完成整個系統(tǒng)的控制功能。

（2）變頻器及其他設備：系統(tǒng)使用的變頻器選用了達牌VFD300B43A型變頻器，其輸出頻率范圍0.10~400Hz，過載能力為額定輸出電流的150%，同時具有RS-485接口，可與上位機與PLC實現(xiàn)方便互連，實現(xiàn)控制功能。壓力變送器選用了森納士的DG1300型變送器，其精度可達0.5%FS。PID智能控制使用了蘭利AL808，在相對濕度≤85% 的環(huán)境下均可工作。接觸器使用了CJXl系列，完成交流電動機的起動、停止及反轉。變頻器與外部的連線圖如圖2所示。

2.2 上位機控制軟件的實現(xiàn)

對于空壓機的直觀監(jiān)控功能由上位機控制軟件實現(xiàn)，上位機控制軟件的開發(fā)選用了MCGS工控組態(tài)軟件完成。MCGS工控組態(tài)軟件是一套32位工控組態(tài)軟件，設計簡單、功能強大，通過自身大圖庫可以快速模擬工控機現(xiàn)場場景，實現(xiàn)直觀的監(jiān)控界面，具有強大的網絡功能，支持TCP/IP、485/422/232等多種網絡體系結構，可以方便實現(xiàn)與PLC等設備的通信功能。使用MCGS工控組態(tài)軟件設計的上位機監(jiān)控軟件界面如圖3所示。

2.3  PLC控制的實現(xiàn)

空壓機自動化系統(tǒng)采用兩種控制方式，人工手動控制與自動控制。自動控制的過程簡單描述如下：首先打開冷卻水閥，變頻器與電動機實現(xiàn)了聯(lián)機，變頻器輸出頻率開始變化，從0Hz開始升高，整個變化的頻率及壓力變送器獲取的信號均由PLC獲取，根據(jù)系統(tǒng)的預設控制方案，對各個空壓機輪訓控制。PLC控制程序流程圖如圖4所示。

3 結語

使用PLC、變頻器、現(xiàn)場總線及軟件技術實現(xiàn)的煤礦螺桿式空壓機控制系統(tǒng)的改造，克服了傳統(tǒng)繼電器控制方式的能耗過大、穩(wěn)定性差、影響設備使用壽命等問題，通過PLC結合變頻器實現(xiàn)對空壓機啟動、停止等控制，使用變頻器完成空壓機功率的調整實現(xiàn)空壓機輸出氣壓的控制，同時使用MCGS組態(tài)軟件實現(xiàn)了空壓機上位機監(jiān)控界面的模擬，實現(xiàn)了遠程監(jiān)控功能，整個系統(tǒng)組建便捷、穩(wěn)定可靠，具有較好的推廣價值。

參考文獻：

[1] 吳會民,汪玉,唐志平.  落錘沖擊下偽彈性TiNi合金固支梁的響應特性研究[J]. 振動與沖擊. 2009(03)：40-45 

[2] S.W.Ambler. The Object Prime: The Application Developer’s Guide to Object Orientation and the UML(Second edition). Cambridge: Cambridge University Press, 2001, 213-236

[3] 翁維勤. 過程控制系統(tǒng)[M].第二版. 北京：化學工業(yè)出版社，2002 

[4] 余國亮.PLC 原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2005.