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接收: 2010-5-25聯(lián)系作者: Yl WANG (wy@sdust.edu.crh附錄 1:外文翻譯基于變頻器的活塞式空氣壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Yi Wang, Hui-bin Liang, Mao-yong Cao, Di Fan{山東科技大學(xué)，青島 266510）電子郵件： wy@sdust.edu.cn摘要 - 基于煤礦空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行特性和高能耗，設(shè)計(jì)了一種氣壓 PID 閉環(huán)控制系統(tǒng)。 該系統(tǒng)由 PLC，變頻器，傳感器等部分組成，采用變頻器三重蒸發(fā)器的控制方式，實(shí)現(xiàn)供氣管理。 該設(shè)計(jì)系統(tǒng)已應(yīng)用于多個(gè)煤礦，結(jié)果表明其節(jié)能效果顯著，潛在應(yīng)用廣泛。關(guān)鍵詞 - 空氣壓縮機(jī)，變頻器，三重蒸發(fā)器，氣壓閉環(huán)，節(jié)能手稿編號(hào)：1674-8042（2010）supp.-0050-03 dio：10.3969 / j .issn1674-8042.2010.supp 131 . 介紹據(jù)統(tǒng)計(jì)，空氣壓縮機(jī)年用電量約占煤礦用電總量的 10％[5J。 特別是隨著近年來煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)的增加，作為四大重要設(shè)備之一的壓縮機(jī)的電力消耗也越來越突出。 如何降低空壓機(jī)的能耗和節(jié)能是許多煤礦的主要目標(biāo)[6]目前，礦用活塞式空氣壓縮機(jī)（PAC）的控制系統(tǒng)主要基于 Y 型自感應(yīng)降壓起動(dòng)器和繼電器。 這些控制系統(tǒng)存在啟動(dòng)電流大，裝卸頻繁，氣壓波動(dòng)大，機(jī)械故障率高，自動(dòng)化程度低等缺點(diǎn)，這種工作方式會(huì)浪費(fèi)更多的電能，縮短設(shè)備的使用壽命。空壓機(jī)的節(jié)能主要考慮運(yùn)行和控制方式，傳動(dòng)方式和余熱利用方式等[7]。 本文設(shè)計(jì)了一個(gè)氣壓 PID 閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括 PLC，轉(zhuǎn)換器和傳感器等，用于改變?cè)械倪\(yùn)行和控制模式。 采用變頻器三重蒸發(fā)器的控制方式，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)和“需求為主” 的供氣。 然后，由于使用“ 首先啟動(dòng)然后第一次停止” ，壓縮機(jī)的負(fù)載率可以被平衡。 與進(jìn)氣節(jié)流控制相比，變頻器控制在壓縮機(jī)組中的應(yīng)用將節(jié)能約30％?50％[8J。壓縮機(jī)機(jī)組設(shè)計(jì)的變頻器控制已應(yīng)用于新沂礦井等多個(gè)煤礦。 節(jié)能效果顯著，應(yīng)用廣泛。 隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和節(jié)能要求的高漲，壓縮機(jī)機(jī)組變頻器實(shí)現(xiàn)調(diào)速節(jié)能的技術(shù)將在煤礦等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。2. 活塞式空氣壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng) ^轉(zhuǎn)換器三重蒸發(fā)器空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)“基于需求 ”的供氣，即系統(tǒng)根據(jù)煤礦井下空氣的需要自動(dòng)調(diào)節(jié)供氣量，保持管網(wǎng)穩(wěn)定的氣壓，變流器控制技術(shù) 已被采納。對(duì)于三個(gè)活塞空氣壓縮機(jī)組（PACU），轉(zhuǎn)換器控制系統(tǒng)的基本框架如圖 1 所示。 系統(tǒng)主要組成為觸摸屏，一套轉(zhuǎn)換器，一套 S7200 PLC（包括 EM231 模塊），EM277 通訊模塊，工業(yè) PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線，CB通訊板，電機(jī)電子保護(hù)器和電流，電壓傳感器 ，壓力和溫度。圖 1 轉(zhuǎn)換器控制 PACU 系統(tǒng)的基本框架表 1 對(duì)變頻器參數(shù)設(shè)置值參數(shù)設(shè)定值參數(shù)設(shè)定值P0304 380 PI 080 30P0305 255 R2050fll P2253P0307 132 R2050[21 P2264P0308 0.78 P2200 1P0640 120 P2280 0.4P0700 6 P2285 10P1000 6 P2051 21在煤礦，供氣壓力在短時(shí)間內(nèi)變化不大，PAC 必須逐個(gè)驅(qū)動(dòng)。 所以采用 PACU 中變流器三重蒸發(fā)器的控制方法是合理可行的。 在這里，轉(zhuǎn)換器的容量與 PAC 相同，依次驅(qū)動(dòng)三個(gè)活塞空氣壓縮機(jī)。 這樣不僅可以大大節(jié)省系統(tǒng)能耗，還可以降低系統(tǒng)成本。2.2 轉(zhuǎn)換器的選擇和參數(shù)設(shè)置考慮到 PAC 的負(fù)載特性，轉(zhuǎn)速范圍，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和使用環(huán)境，我們采用了 MM440 系列的西門子 380V132KW 變頻器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)恒轉(zhuǎn)速控制。 該變頻器具有更快的自啟動(dòng)功能，啟動(dòng)扭矩更大，過載能力更強(qiáng)。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的良好控制性能，必須給變頻器的固有參數(shù)和 BICO 設(shè)置具體的數(shù)值。 表 I 列出了轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)設(shè)置。3. 系統(tǒng)的工作過程3.1 系統(tǒng)的控制過程系統(tǒng)工作時(shí)，壓力變送器將主管道氣壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)發(fā)送給 PLC，由 PLC 通過 PROFIB 美國(guó)工業(yè)總線和 CB 通訊板將氣壓設(shè)定值和壓力檢測(cè)值發(fā)送給變頻器，電機(jī)轉(zhuǎn)速由變頻器內(nèi)部 PID 控制，然后調(diào)節(jié)供氣量，實(shí)際氣壓值調(diào)節(jié)至設(shè)定壓力值。此外，實(shí)現(xiàn)了氣壓的閉環(huán)控制。當(dāng)變頻器的運(yùn)行頻率達(dá)到 50HZ 時(shí)，如果實(shí)際氣壓值不能達(dá)到設(shè)定值，則由變頻器驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)將自動(dòng)工頻工作，同時(shí)另一臺(tái)壓縮機(jī)由變頻器驅(qū)動(dòng)補(bǔ)充空氣。 PLC 通過測(cè)量主管道的空氣壓力和監(jiān)控變頻器狀態(tài)來調(diào)節(jié)壓縮機(jī)單元的數(shù)量并實(shí)現(xiàn) IF-FF 切換。此外，系統(tǒng)還可以監(jiān)測(cè)重要的在線參數(shù)，如溫度，壓力，電量等，如果這些參數(shù)不正常，可能會(huì)在一段時(shí)間后報(bào)警。圖 2 是壓縮機(jī)系統(tǒng)的控制過程。3.2 “首先開始然后停止”序列圖 3 顯示了壓縮機(jī)的啟停順序，稱為第一次啟動(dòng)，然后第一次停止。當(dāng)變頻器啟動(dòng) 1＃壓縮機(jī)時(shí)，頻率達(dá)到 30HZ 后加載并進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)。如果主變頻器的頻率值達(dá)到 50HZ 后主管出口氣壓未達(dá)到預(yù)設(shè)壓力， PLC 將停止變頻器并進(jìn)行繼電器的接通，同時(shí)驅(qū)動(dòng) 1＃壓縮機(jī)由變頻器自動(dòng)以工業(yè)頻率工作，而 2＃壓縮機(jī)由變頻器驅(qū)動(dòng)補(bǔ)充空氣。 3＃跟隨 2＃壓縮機(jī)，并采用類似的開關(guān)步驟，最后一臺(tái)壓縮機(jī)將由變頻器驅(qū)動(dòng)。如果頻率值在使用氣壓降低后降至 30HZ，則 PLC 停止運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的壓縮機(jī)，并以工業(yè)頻率工作。在系統(tǒng)工作期間，故障或停機(jī)信號(hào)發(fā)生時(shí)，故障機(jī)器將停止并由 PLC 切斷自動(dòng)控制循環(huán)。故障機(jī)器只有在調(diào)試和故障復(fù)位后才能進(jìn)入自動(dòng)循環(huán)。52 Journal of Measurement Science and Instrumentation Supplement 2010圖 2 壓縮機(jī)系統(tǒng)的控制過程圖 j 先開始的控制順序，然后是第一次停止。，表 2 主控系統(tǒng)參數(shù)與新設(shè)計(jì)系統(tǒng)的比較參數(shù)主系統(tǒng)的參數(shù)范圍新系統(tǒng)的參數(shù)范圍US E電流 100A，210A 100A?210A電壓 0V，380V 230V ?380V功率 105KW,132KW 78KW ?132K Wo 供氣 0 m3,22m3 12 m3?22 m 3空氣壓縮機(jī)電流100A，210A，310A，420A，520A，630A100A ?210A 310A-420A 520A?630A功率105KW,132KW,237KW，264KW，369KW,396KW78KW ?132K W210KW-264KW342KW-396KW供氣22 m3,44 m3,66 m3(A1=0，A2=A3，A4=A5)12 m3?22 m3 34 m3?44 m3 56 m3?66 m 34. 系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的變化壓縮機(jī)的四個(gè)關(guān)鍵操作參數(shù)是電壓，電流，功率和供氣量。 它們的范圍是六個(gè)離散點(diǎn)（表示為A1，A2，A3，A4，A5 和 A6），因?yàn)橄到y(tǒng)僅由繼電器控制。 如圖 4 所示。當(dāng)采用變頻器控制壓縮機(jī)時(shí)，運(yùn)行參數(shù)的范圍由某些離散點(diǎn)變?yōu)檫B續(xù)線，如圖 5 所示。由于參數(shù)范圍是動(dòng)態(tài)連續(xù)可調(diào)的，整個(gè)系統(tǒng)的供氣變得靈活 起動(dòng)電流減少，節(jié)省了成本和能源，提高了系統(tǒng)的可靠性和自動(dòng)化水平。主要控制系統(tǒng)中的參數(shù)比較表 II。圖 4 繼電器系統(tǒng)參數(shù)的可調(diào)范圍5. 轉(zhuǎn)換器控制系統(tǒng)的節(jié)能分析L u.1 o.! —\ _ iI iB-? i sa_LA6A5A4A3A2A1的SJ9J9UIBJBCL圖 5 新系統(tǒng)中參數(shù)的可調(diào)范圍A6A5A4A3A2A1Vol.1 Ping-xiang Jiang, Shou-shan Liu 65PACU 的運(yùn)行成本主要是電力，機(jī)油和機(jī)械磨損等。使用轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了節(jié)電，節(jié)油，故障率低，機(jī)械磨損小。 電力和石油的節(jié)約分析如下：i. 年電量節(jié)省這里以三臺(tái) 132KW PAC 為例舉例說明。 如果 PAC以額定速度工作 12 小時(shí)，每天工作 12 小時(shí) 60％?70％的額定速度，節(jié)電率為 50％，則每年的電量節(jié)省為3x12x132x0.5x365 = 867240 (KW) .⑴ii. 年度節(jié)油根據(jù)“ 低速再低潤(rùn)滑” 的使用原則，變頻器控制系統(tǒng)可節(jié)油 60％。6. 結(jié)論針對(duì)壓縮機(jī)能耗高的問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了變頻器三重蒸發(fā)器空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)。 與原有繼電器控制系統(tǒng)相比，新系統(tǒng)起動(dòng)電流和設(shè)備磨損大大降低，系統(tǒng)運(yùn)行成本低，自動(dòng)化程度高。 該系統(tǒng)已應(yīng)用于新沂等礦山，節(jié)能效果顯著，控制技術(shù)和系統(tǒng)可供其他礦山企業(yè)使用或參考。參考文獻(xiàn)[1] Miller，Harry (Dresser-Rand) and etc.: “Totally Enclosed Inline Electric Motor Drive Gas Compressors’’， 2002.1.[2] MAN TURBO CO. f^MOPICO TURBO wins order for three MPOPICO compressors for natural gas transmission service”, 2004.[3] YANG Guo-fu wPresent Situation of Frequency Converter & the Trend of Frequency Conversion Technology Developmentw Jiangsu Electrical Apparatus,2007.[4] LU Xin-nan “Control Strategy Analysis on Frequency Conversion Renovation of Air Compressor** Zhe Jiang Electric Power,2008.[5] Zhao Xue-hua,HU Yong-jun,Chen Li-bing MBased on PLC The Frequency Control System of compressor in coal mine1* Safety in Coal Mines,2009.4 .[6] LI Wen - hua^ZHANG Zong - zhen “Energy Consumption and Eneigy - saving Tendency of MineAir Compressors** Coal Mine Machinery, 2006.8.[7] Wang Shu-fen^ Frequency Conversion Modification of Air2jet Loom by Using A ir Compressor” Cotton Textile Technology,2009.3.[8] GAO Xiang2jia, CHEN Fang ^Economic Analysis and Techn ica 1 Program of Energy Conservation for Conversion Frequency Screw A ir Compressor” Compressor Technology，2009.3.