煤矿空气压缩机变频控制系统设计.pdf

机电工程技术第４９卷第０７期ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ＆ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ ４９Ｎｏ ０７收稿日期２０２０－０１－０２ＤＯＩ１０ ３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００９－９４９２ ２０２０ ０７ ０７０孙志军煤矿空气压缩机变频控制系统设计［Ｊ］．机电工程技术，２０２０，４９（０７）２０１－２０３ 煤矿空气压缩机变频控制系统设计孙志军（大同煤矿集团有限责任公司，山西大同０３７０００）摘要针对传统空压机控制系统运行不稳定、能耗严重、灵活性差等缺点，设计了一种基于ＰＬＣ控制和变频技术的矿用空压机变频控制系统，可根据实际压力和用气量实现电动机的变频调速，继而拖动空压机节能运行。实际运行结果表明，该系统运行稳定，启动损耗小，能耗低，对空压机运行质量的提高和节能增效具有积极作用。关键词矿用空压机；控制系统；变频调速；ＰＬＣ中图分类号ＴＤ６７文献标志码Ａ文章编号１００９－９４９２（２０２０）０７－０２０１－０３ＴｈｅＤｅｓｉｇｎｏｆＦｒｅｑｕｅｎｃｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｆｏｒＡｉｒＣｏｍｐｒｅｓｓｏｒｉｎＣｏａｌＭｉｎｅＳＵＮＺｈｉｊｕｎ（ＤａｔｏｎｇＣｏａｌＭｉｎｅＧｒｏｕｐＣｏ，Ｌｔｄ，Ｄａｔｏｎｇ，Ｓｈａｎｘｉ０３７０００，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌａｉｒｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，ｓｕｃｈａｓｕｎｓｔａｂｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｓｅｒｉｏｕｓｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎａｎｄｐｏｏｒｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ，ａｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｍｉｎｅａｉｒｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｂａｓｅｄｏｎＰＬＣｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎａｎｄｓｐｅｅｄｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅａｃｔｕａｌｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄａｉｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｎｄｒｏｖｅｔｈｅａｉｒｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｆｏｒｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅａｃｔｕａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｓｔａｂｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｓｍａｌｌｓｔａｒｔ－ｕｐｌｏｓｓ，ｌｏｗｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ａｎｄｐｌａｙｓａｐｏｓｉｔｉｖｅｒｏｌｅｉｎｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｑｕａｌｉｔｙａｎｄｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅａｉｒｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｍｉｎｅａｉｒｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ；ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｔｒｏｌ；ＰＬＣ０引言空压机作为煤炭工业中主要的动力设备，其安全稳定高效地运行对于煤炭生产作业起着至关重要的作用。传统空压机电机控制系统都存在一些问题煤矿中的空压机都有运行时段安排，当处于空载或轻载状态时，电动机效率降低，造成电能损耗［１］；井下用气量和用风时间不固定，以继电器为主的传统空压机电机控制系统无法根据负载变化对电机进行连续调节，系统精度低［２］；在空压机启动时，电机起动电流和起动转矩较大，对电网形成冲击，造成保护装置误动作而跳闸，同时也会损害设备本身。所以设计一种利用ＰＬＣ控制可实现变频调速的空压机电机控制系统是很有必要的。本文从系统总体设计，硬件组成和软件设计３个方面进行研究，阐述了系统的控制原理和过程以及各部分所实现的功能，并以此完成了系统软件的设计，最终实现空压机电动机的变频调速和跟随负载变化连续控制。１系统设计总体方案在空压机变频调速控制系统中，控制对象为３台浙江开山生产的ＪＮ２５０－８型空气压缩机，公称容积流量４６ｍ３／ｍｉｎ，排气压力０ ８ＭＰａ，电动机额定功率为２５０ｋＷ，额定电压６ｋＶ，转速１４９０ｒ／ｍｉｎ。系统采用两级控制结构，ＩＰＣ作为监控上位机，用于显示收集到的空压机运行参数和开关量，并据此向控制器发出控制信号；控制器采用ＰＬＣ，接收到相应指令后对空压机进行启停等操作的控制［３］；变频调速系统主要采集量为压力信号，通过压力传感器实现采集并传送至监控上位机，同时还设置有电流传感器、电压传感器、温度传感器等，分别采集电机三相电压电流、空压机排气温度、电机温度等参数［４］。此外系统还设置有Ｙ１４Ｄ５００２９型储气罐，系统可根据储气罐压力值自动选择３台空压机的运行方式，实现智能节能运行。控制系统总体设计方案如图１所示。图１控制系统总体设计方案２硬件方案设计及选型根据系统要实现的功能将系统拆分为上位机监控子系统和变频调速子系统，下面分别对这两个子系统的硬件进行设计与选型。２ １上位机监控子系统硬件设计与选型监控上位机需满足系统规模大、采集量多的要求，本文选用研华ＩＰＣ－６１０Ｈ工控主机ＰＣＡ－６００７ＬＶ／Ｐ４３ ０Ｇ／１Ｇ／１０２１６０Ｇ／ＤＶＤ／１０Ｍ－１００Ｍ网卡／声卡／ＫＢ＋Ｍ，并搭配ＰＣＩ２０００型数据采集卡，ＰＣＩ２０００具有３２位ＰＣＩ总线，即插即用，还具有１２位分辨率的Ａ／Ｄ转换模块和３２路模拟输入通道以及１６路的输入、输出开关量［５］，程控增益可放大到１、２、４、８倍，可保证转换精度达到最佳，系统也留有足够的扩展余量，各类传感器将监测数据转换成４～２０ｍＡ标准信号后通过隔离电路传送至计算机，由计算机对信息进行分析处理。图２所示为监控系统示意图。图２监控系统示意图根据控制要求，系统需实现多参数采集，通过ＰＬＣ对各空压机和冷却系统实现启停、报警等操作。主控器ＰＬＣ选择西门子Ｓ７－３００ＰＬＣ可编程控制器，该控制器共有２４个数字输入量接口，４个模拟输入量接口，１６个数字输出量接口，２个模拟输出量接口，在满足本系统需求的同时还能够留有一定余量。系统需要对以下工况参数进行采集压力参数包括空压机出口压力、油压、管道压力等；电参数采集选用ＥＤＡ９０３３Ａ型智能电数据综合采集模块，电压电流的测量精度为０ ２级，且同时具有１６位Ａ／Ｄ转换［６］。通过以上传感器，便可完成系统所需工况参数的采集。２ ２变频调速子系统硬件设计与选型变频调速供气系统的基本功能有两个，空压机出口压力可控制为恒定值和供气量可根据实际情况连续调节，故该系统是一个闭环调节控制系统，其核心设备是ＰＩＤ调节器和变频器。首先ＰＩＤ设置一个压力阈值并向变频器发送电流信号，当传感器采集到的压力显示大于设定值时，ＰＩＤ调节器输出的电信号减小，变频器的输出频率也随之降低，电动机转速下降，空压机出口压力减小［７］；当检测值大于设定值时同理，从而实现风压的自动调节。考虑到变频器所带负载特性、工作环境、容量和传动功能等综合因素，本文选用西门子ＭＭ４４０通用型变频器，该变频器采用模块化设计，具有６个可编程的独立数字量输入，２个可量测的模拟量输入，１个可编程模拟量输出和３个可编程继电器输出，可满足本系统容量需求。西门子ＭＭ４４０变频器主要是针对异步电机控制而设计的，其中自带ＰＩＤ调节器［８］，设置好输入信号、反馈信号、输入方式和Ｐ、Ｉ、Ｄ控制参数后，便可实现电机的闭环控制。当ＭＭ４４０变频器工作在Ｖ／ｆ控制方式下时，变频器的输出频率和电压解耦，两者可单独设定，这样就可以在输出频率不变的情况下，通过单独接收ＰＬＣ的电压控制信号完成对输出电压的自整定。３软件方案设计软件设计分为两部分，分别为监控上位机主程序设计和变频及自动控制程序设计。监控上位机软件在Ｗｉｎ１０平台上用Ｃ语言和Ｄｅｌｐｈｉ编写开发而成的，用户可直观看到现场各点的数据及状态，同时还具备数据保存、统计、打印等基本功能。图３所示为监控上位机主程序流程图。图３监控上位机主程序流程图变频及自动控制子系统的程序编写是系统软解设计部分的核心内容，系统设有３个变频器和３台空压机，按下启动按钮，１＃空压机首先启动进入变频调速模式，当频率超过初设阈值上限且出口压力仍未达到初设阈值时，ＰＬＣ发出控制指令，通过继电器将１＃空压机切换至工频运行；此时２＃空压机进入变频调速模式，当其频率达到阈值下限但压力未达阈值时，２＃空压机也由ＰＬＣ控制自动切换至工频运行；３＃空压机控制过程同理，当３＃空压机处于变频调速模式时，此时若用气量降低，３＃变频器频率也达到了阈值下限，ＰＬＣ会控制最先启动的１＃空压机停运。４实际运行测试效果晋华宫矿榆涧空气压缩机房内配备有３台电机型号为ＨＣＭ３５５－４的空压机，在排气量和排气压力相同的条件下，配备本系统前后的测量数据及计算分析如下。（１）配备本系统前实测数据Ｕ１＝６０００Ｖ，Ｉ１＝３０ ５Ａ，Ｐ１槡＝３Ｕ１Ｉ１ｃｏｓφ ＝２６６ ２５ｋＷ电动机年耗电量Ｗ１＝２６６ ２５ｋＷ１８ｈ３６５＝１７４９２６２ ５ｋＷｈ（２）配备本系统后实测数据Ｕ２＝６０００Ｖ，Ｉ２＝２３ ４Ａ，Ｐ２槡＝３Ｕ２Ｉ２ｃｏｓφ ＝２０４ ２７ｋＷ电动机年耗电量Ｗ２＝２０４ ２７ｋＷ１８ｈ３６５＝１３４２０５３ ９ｋＷｈ（３）年电能节约量电动机年节能（单台） ΔＷ＝Ｗ１－Ｗ２＝１７４９２６２ ５ｋＷｈ－１３４２０５３ ９ｋＷｈ＝４０７２８０ ６ｋＷｈ。故机房内共３台空压机年节电量约为１２２１６２５ ８ｋＷｈ，实现了节能运行，节约了运行成本，提高了经济效益。５结束语本文基于变频技术设计的煤矿空压机电机控制系统在实２０２２０２０年０７月机电工程技术第４９卷第０７期际测试中可以保证出口压力基本恒定，供气量可根据煤矿实际用气情况进行连续调节，具有明显的节能效果，系统的控制精度、稳定性、自动化程度都得到了提升，具有良好的经济效益和应用前景。参考文献［１］刘建豪，钟良，龚伟，等．空压机节能方法探究［Ｊ］．机械工程师，２０１５（０９）１３８－１４０．［２］史丽萍，刘懿，赵磊．基于空压机的气风量优化控制仿真研究［Ｊ］．计算机仿真，２０１６，３３（０２）３９９－４０３．［３］张小亮．空压机系统的智能控制与仿真研究［Ｄ］．武汉武汉科技大学，２０１０．［４］于艳飞．空压机性能检测试验台的设计与实现［Ｄ］．成都西南交通大学，２０１２．［５］白坤海．空压机变频及微机自动控制系统研究［Ｄ］．济南山东大学，２００６．［６］王飞，朱铭，金晨，等．基于ＤＳＰ和ＡＲＭ的新型智能电能质量测试仪［Ｊ］．科技广场，２０１４（１２）８５－８９．［７］王其林，马振洋．空压机变频调速控制技术的应用［Ｊ］．电世界，２０１８，５９（１０）５１－５３．［８］张豪，党铁果，张长友．煤矿空压机变频控制关键技术策略研究［Ｊ］．山东煤炭科技，２０１６（０７）１１２－１１３．作者简介孙志军（１９８６－），男，山西浑源人，硕士，工程师，研究领域为煤矿机电。（编辑王智圣）（上接第２００页）随着升降机速度的不断增高，对框架轿厢的结构刚性要求也随着增大，通过纵横梁排架式设计，以及加大型材规格的方式提高框架轿厢的结构刚性，也可通过ＡＮＳＹＳ或其他结构分析软件进行框架轿厢的优化设计。一方面需满足结构刚性，另一方面需合理选择型材截面，尽可能减少型材在框架轿厢投影面的投影面积，以增大框架轿厢表面的过风面积，控制框架高度尺寸，可以减少对机坑深度、顶层空间高度、对重重量的影响。２ ８停车室设计（１）入户式可视停车区超高层豪华住宅，停车室通常设置在客厅、游泳池及连廊的正面或旁侧，停车室通常采用落地玻璃作为隔墙等，形成封闭、可视的室内空间，汽车入户式停车设备示意图如图８所示。图８汽车入户式停车设备示意图（２）停车位每户配置２车位，采用大理石或自留平地面，停车面与地坎角钢面平齐，结合室内装修及个人风格进行停车区域装修。（３）安全门系统停车区与井道处设置安全门，可采用卷帘门或提升门，具体与平层结构或复式结构相匹配，安全门设置系统联动开关。（４）停车区域消防每个车位上方或侧方设置两个喷淋头，停车区域与升降机井道设置防火卷帘门，与消防喷淋系统联动。３结束语汽车入户式垂直升降停车设备是一种新型智能立体停车库，世界范围内对于超高层建筑、高速车辆存取的入户式项目仍属空白。本文通过对汽车入户式垂直升降停车设备设计方法的梳理，为今后汽车入户式垂直升降项目提供了设计依据及参考。同时，针对存取交换技术、垂直升降机设计、轿厢强度刚性等重点领域的设计总结，得出如下结论（１）ＬＡＴ存取交换技术能够满足车库与居住区域地面的光滑平整过渡，有利于营造观赏性停车空间，符合此类项目开发的定义和需要；（２）垂直升降能力决定了车辆存取速度，针对２００ｍ超高层建筑，５ｍ／ｓ的最大升降速度能够满足快速存取车辆的需求；（３）轿厢刚度受垂直升降速度的影响，合理控制该模块的重量有利于减轻驱动力负载。参考文献［１］李小民，郭伟科，陈启愉，等．立体车库垂直升降系统结构仿真分析与优化［Ｊ］．机械研究与应用，２０１７，３０（０３）１１２－１１４．［２］程世东，王淑伟．我国城市停车产业化政策体系发展现状［Ｊ］．交通工程，２０１７（０５）３－６．［３］张乔．我国大城市小汽车停车问题研究［Ｄ］．上海同济大学，２００６．［４］马幼捷，张海涛，邵保福，等．电子智能化立体车库的研究现状与走向［Ｊ］．电气自动化，２００８，３０（０５）３－６．［５］编辑部．七部委联合印发关于加强城市停车设施建设的指导意见［Ｊ］．城市规划通讯，２０１５（１６）３－４．［６］周雪松，田密，马幼捷，等．智能化立体车库存取车优化控制策略的研究［Ｊ］．制造业自动化，２００８（１０）２９－３４．［７］刘欢．金属结构垂直升降式立体车库综述［Ｊ］．世界有色金属，２０１６（２４）２１９－２２０．［８］任晓锋．全自动立体车库控制系统的研究与构建［Ｄ］．西安陕西科技大学，２０１４．作者简介余秋英（１９６５－），女，大学本科，高级工程师，研究领域为智能停车设备的开发及设计。（编辑王智圣）３０２孙志军煤矿空气压缩机变频控制系统设计

版权申诉 word格式文档无特别注明外均可编辑修改；预览文档经过压缩，下载后原文更清晰！ 立即下载

关键词：: 煤矿空气压缩机变频控制系统设计行业标准煤矿开采 20200929170200329200 煤矿开采采矿技术煤矿文库，行业标准法律法规培训课件案例分析规程措施技术规范煤矿论文考试题库技术方案技术标书施工组织技术总结安全管理通知公告设计图纸实用文档图书资料文档下载在线阅读视频课程培训视频

矿业文库所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。