基于S7-300PLC的左岸金矿空压机组“一拖多”双循环软启动变频智能联控节能技术研究

佘文远

（紫金矿业集团股份有限公司，福建 龙岩 364200）

由于矿山用气量受生产工序影响波动较大，传统的控制方法和控制系统往往导致输出压气压力不稳定和电能浪费严重。为此，本文结合吉尔吉斯左岸金矿生产实际，采用西门子S7-300PLC控制单台变频器“一拖多”循环软启动变频智能控制技术对原系统进行改造，实现了整个空压机系统“按需”智能调节和矿井的稳压供风。

1 工程背景

图1 空压机组供电系统图

吉尔吉斯斯坦奥同克公司左岸金矿空压机组由2台（1#、2#）复盛牌SA-315（排气量60m3/min，最大压强0.8Mpa，功率315KW）和5台（3#、4#、5#、6#、7#）复盛牌SA-250（排气量40m3/min，最大压强0.8Mpa，功率250KW）螺杆式空压机组成，供电电压10kV，负责全矿井风动设备的动力源，各机组均是独立操作、真空断路器直接启动和额定工频运行，每台空压机上装有一台电机直接起动装置，各台空压机冷却方式均为风冷，如图1所示。空压机房距中央调度室1150m。由于矿山生产的特殊性，需气量会受到生产节奏的影响，因此存在较大的不均衡性，如图2所示。

图2 矿井各时间段压气需用量变化图

为保证井下生产用风所需风压和风量要求，如果使空压机组中的大多数保持每天24小时不间断运行，当井下用气量较少时，电机在空载或轻载下运行，造成电能浪费和因卸载阀频繁动作而使设备加速损坏。如果由人工进行启停操作，过大的启动转矩和启动电流冲击又会严重干扰供电网和损害机械负载。人工手动开关空压机会导致供气压力产生较大波动，空压机运行工况异常或故障信息很难做到及时发现，从而直接影响到矿山生产及设备运行安全。针对左岸金矿空压机系统现存的上述各种问题，经过深入研究和分析，对原控制系统进行智能化、自动化、信息化节能升级改造从而实现供用气的动态平衡和节能控制已势在必行。

2 技术思路

变频启动是高压大功率电机的最佳的启动方式，它通过改变电机供电电源的电压、频率以实现交流电动机的平滑速度。由电机调速的基本公式：

可知：在电机的转差率(1-S)和电机的极对数P一定时，通过改变正弦交流电频率的大小可改变电机的转速[1]。根据流体力学基本定律：对于空压机这类变转矩负载而言，流量Q与转速N成正比，功率P与转速N的立方成正比，因此，通过变频器改变正弦交流电频率的大小而有效控制空压机电机的功率可以实现空压机电机变频节能的目的。相对其它启动方式而言，高压变频启动具有调速范围宽、无级调速、高效的驱动性能、良好的控制特性等优点。

PLC是以CPU为核心，结合微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术为一体的一代新型工业控制装置，它通过与外部进行电气连接的端口进行信号传递，从而实现其控制功能。PLC结合变频器用于矿山空压机组联控是目前最有效的节能调速控制方式[2]。本研究通过采用PLC控制一台变频器进行多台空压机“一拖多”循环软启动变频智能控制，实现空压机组的集中控制，消除空压机卸荷状态的空载运行时间、减少空压机启动次数，以达到空压机组经济和安全运行的目的。

3 系统构成

该系统硬件由PLC（可编程控制器）、变频器、压力传感器、电流传感器、温度传感器、压力（温度、电流）变送器、接触器、电动机、空压机、保护电路、模拟量输入输出模块、空压机监测系统等部件组成。通过PLC控制器接收到主压气管气体压力传感器反馈的信号来给变频器发送指令，从而控制7台空压机的变频或工频运行，如图3示。

图3 基于PLC控制的空压机系统简图

根据输入/输出量及采集速度考虑，选用S7-300系列PLC可编程控制器（CPU314C-2DP-X12）、SM323数字量扩展模块，SM331模拟量扩展模块，采用PPI网络与触摸屏界面通讯，采用CP340-1工业以太网通讯处理器模块进行远程控制界面通讯。配套选用SBH-100-315型高压变频器，它的优点是过载能力强，响应速度快，具备内部功能互联特性。

图4 PLC供电回路图

该系统通过变频器可实现空压机组各高压电机的软启动，避免在启动瞬间大电流对设备的冲击；在变频器发生故障后，系统可通过手动转换变频工作模式为工频工作模式，保证了系统的不间断运行和矿山生产的连续性。在系统的整体设计当中，在主压气管道处设置远压力传感器并整

图5 模拟量输入模块原理接线图

图6 高压变频器接线图

合空压机组原有的温度传感器和电流传感器，通过压力、温度及电流变送器将信号转换传输给PLC进行处理分析，以实现参数的实时监测、参数异常保护及智能控制功能[4]。PLC与主压气管道处的压力传感器、变送器等测控单元组成气体压力“测量→反馈→修正调节→测量→”的闭环控制体系[4]，使输出与实际需风量相匹配的电源频率达到“供需快速响应和动态调节”，实现节能降耗的目的[5]。

为增强系统运行的安全可靠性，整个控制系统设手动常规电气控制和远程监控系统方式，两种控制方式互为备用。其中，手动常规电气控制采用空压机原有控制系统，监控系统主要由2个系统组成(下位机现场监测与控制系统、上位机远程监测系统)，以可编辑逻辑控制器为核心，以传感器、控制器以及电子通信装置作为远程监测报警系统。通过现场可编辑逻辑控制器对采集的数据使用总线方式将数据送于上位机，传感器将采集的数据传给PLC进行处理及计算，将结果输出或者作为预警信号，假如设备出现异常，系统就会报警，监控人员可以根据实际情况，采取相应的措施。

系统的编程软件采用西门子公司的SIMATIC ManagerV5.5版本，通过S7-300两个RS485通信口做PI网络可方便地实现S7-300的编程和监控及S7-300与触摸屏的通讯。通过CP340-1的向导程序可以方便地实现PLC与上位机组态软件的以太网通讯。

4 调控策略

调控模式分为三种：自动模式、时间模式和手动模式。为保证每台空压机在72小时内有足够的散热时间，每天早8点到晚0点系统自动切换到自动调控模式，晚上0：30（此时用气量最少）点到8：00点由自动模式自动切换到时间模式下。时间模式是在自动调控模式流程的基础上，1#、2#、3#空压机在单日0：30至8：00点为停止运行状态，双日为自动模式运行状态；4#、5#、6#、7#在双日为停止状态，单日为自动模式运行状态。

图7 PLC自动模式控制流程图

如图7，在自动模式下，按下PLC启动按钮启动系统。1#空压机先按照变频运行工况，转速从零不断上升，若达到空压机电源最大频率（50Hz），延时5min后还未达到系统所需气体压力（0.55MPa～0.65MPa）时，则将1#空压机自动切换到工频运行工况，同时启动2#空压机系统进入变频运行工况，若2#空压机达到电源频率上限，延时5min后还未达到系统气压要求时，则将2#空压机切换至工频运行工况，同时启动3#空压机进入变频运行工况，以此类推，若7#空压机达到电源频率上限，延时5min后还未达到系统气压要求时，则启动系统报警程序。若系统中用风量减少，7台空压机均在运行状态，此时，PLC可编程控制器调节7#空压机变频频率，若频率降至规定下限值（20Hz）时，运行5min后风量减少量不满足要求（0.55MPa～0.65MPa），则停止7#空压机，6#机变频运行，若频率降至规定下限值时，运行5min后，仍不满足要求，则控制6#空压机停机，5#空压机变频运行，以此类推，

图8 调控模式切换流程图

若1#空压机变频运行频率降至规定下限值时，运行5min后，仍不满足要求，则1#空压机以最小频率（20Hz）运行。

空压机的启动、停机分为手动及自动两种方式。手动方式下，空压机完全由启/停按钮控制，自动停止条件无效。自动方式下，根据备用选择逻辑排列顺序和相应的联动定值进行自动启停控制。无论在自动或者手动方式下，只要自手动选择按钮打到“OFF”位，空压机在5秒内自动停止。在空压机运行时，系统会自动监控各台空压机工况，如某台空压机出现温度超限、过流等异常状况时，系统将发出声光信号进行报警并由PLC控制自行停止该空压机运行状态，当经过一段时停机降温空压机温度恢复至设定可起动运行的下限值时，该台空压机通过PLC控制调至待变频起动状态。如属过流状态，则进行人工处理正常后恢复至待变频起动状态，同时，该系统通过变频器实现了空压机的软启动，避免了在启动瞬间大电流对供电系统的冲击；在变频器发生故障后，系统可通过手动转换变频工作模式为工频工作模式，保证了系统的不间断运行和矿山生产的连续性。

5 远控/本地策略

系统分为2种主要控制模式，一是远程控制，二是本地控制，本地控制顾名思义是指在设备现场周边实行对设备进行操作，远程控制则是利用通信模块使得PLC远程向上位机发送数据交换，那么在远地的上位机就可以实现控制PLC，从而实现远地控制模式，直到远程控制模式失效后，本地控制模块才可以恢复正常控制。

6 效果评估

（1）起动方式对比：单台电机工频直接起动电流大于100A，先变频软起动后切换成工频电流小于40A，实现了“平滑、温和”的软起软停，避免了电机起动对电网和系统的冲击，降低了故障率，延长了电机的机械寿命。

（2）由于空压机系统供气相对恒定，供气主干网压力始终保持在稳定范围，从而可以保证矿山生产中用气设备性能的正常发挥。

（3）可实现较好的节能降耗效果。经过节能升级改造后，新系统能够保整个空压机系统“按需”自动调节电机转速，而电机功率与转速的立方成正比，因此可大幅降低电能消耗。结合左岸金矿各班需气量及空压机运转情况，采用PLC控制“一拖多”双循环软启动变频智能节能技术改造后，年可节电量433.32万kW·h，节约电费成本108.33万元，而改造投入仅需40余万元资金，节能降耗效果非常显著。

（4）空压机系统综合自动化水平大大提高，可在一定程度上实现大型设备车间真正无人值守和设备运行的信息化与智能化。

（5）新系统通过实时监测和智能控制设备运行状况，发生异常及时处理，避免了事故的发生，可以有效提高矿山生产的本质安全化程度。

（6）由于新系统的启动电流和启动转矩较小，空压机电机在最优工况运行，从而对矿山供配电系统的冲击和机械负载的损害相应减小，发热量大大降低，从而延长了空压机电机的综合使用寿命。

7 结语

通过采用西门子S7-300PLC控制管理系统和单台变频器“一拖多”双循环软启动变频联控技术进行改造，每台空压机电机既可以变频运行，又可以工频运行，但系统运行中始终只有一台空压机变频电机运行，其它空压机电机根据实际需要来决定是否工频运行，可通过整个空压机系统“按需”自动智能调节实现矿井的稳压供风，从而取得很好的节能降耗效果，实现矿山大型设备车间真正的无人值守和安全管理上的“无人则安、少人则安”，具有显著的经济效益、社会效益和较高的推广应用价值。