煤矿螺杆式空压机自动控制系统的改造

螺杆式空压机是煤矿企业的重要机械设备之一，使用空压机产生的空气可以为井下风动机械设备提供动力，同时为巷道送入必要的空气，提供井下工作安全系数。传统的螺杆式空压机控制系统多采用继电器实现控制，其缺点是能耗大、启动电流高、对设备器件冲击较大，影响空压机使用寿命，同时其控制精度不高，稳定性较差。在当前提高煤矿设备自动化水平、提高能源使用效率的趋势下，使用新技术对空压机控制系统实现改造，实现一种稳定高效、控制准确、节能效果明显的空压机自动控制系统十分必要。

1 改造系统的技术与方案

1.1 使用的三项主要技术

（1）变频调速技术：针对传统螺杆式空压机控制系统中控制精度不高，启动电流过大及能耗较大等缺点，采用变频器代替继电器实现流电动机进行调速，从根本上解决了传统控制系统的突出问题。

（2）PLC技术：PLC又称可编程控制器，是在继电器与计算机技术的基础上发展来的工业控制装置，具有结构简单、稳定性高、抗干扰能力强等优点，适合在煤矿这样的工作环境较为恶劣的条件下工作。

（3）RS-485总线技术：系统完成数据传输需要使用总线技术，本改造系统中使用的总线是RS-485，485总线由于其布线简单，传输稳定可靠，在众多控制领域都有广泛的应用。

1.2 改造系统总体方案

整个系统使用的设备包括控制中心PLC、变频器、互感器、压力变频器、空气开关等，主要通过系统对管网压力的信息采集与控制，实现自动压力调节，通过PID调节器将压力调节在预设范围内，具体控制方案由PLC程序实现。整个系统的控制原理图如图1所示。

2 系统改造的实现

2.1  系统硬件配置

（1）PLC部分：改造系统中使用的PLC选用了西门子S7-300系列，主要功能是完成空压机的各种控制。 其硬件配置主要如下：CPU模块使用CPU315-2DP，该模块可以扩展到1024点数字量或128个模拟量通道，可以满足空压机的控制需要。电源模块选用PS307，数字量输入模块与输出模块分别选用SM32与SM322。输入模块将采集到的空压机状态信息，包括运行状态、故障信息、辅助设备状态等传入PLC处理。输出模块实现PLC对空压机的控制信息输出，控制信息包括启动、停止、加载、卸荷、急停等。为实现与上位机的通信功能，采用RS-485总线方式完成数据传输，通信模块采用了CP341，CP341模块利用基于RS-485总线的Modbus协议，与控制变频器及各种执行机构，完成整个系统的控制功能。

（2）变频器及其他设备：系统使用的变频器选用了达牌VFD300B43A型变频器，其输出频率范围0.10~400Hz，过载能力为额定输出电流的150%，同时具有RS-485接口，可与上位机与PLC实现方便互连，实现控制功能。压力变送器选用了森纳士的DG1300型变送器，其精度可达0.5%FS。PID智能控制使用了兰利AL808，在相对湿度≤85% 的环境下均可工作。接触器使用了CJXl系列，完成交流电动机的起动、停止及反转。变频器与外部的连线图如图2所示。

2.2 上位机控制软件的实现

对于空压机的直观监控功能由上位机控制软件实现，上位机控制软件的开发选用了MCGS工控组态软件完成。MCGS工控组态软件是一套32位工控组态软件，设计简单、功能强大，通过自身大图库可以快速模拟工控机现场场景，实现直观的监控界面，具有强大的网络功能，支持TCP/IP、485/422/232等多种网络体系结构，可以方便实现与PLC等设备的通信功能。使用MCGS工控组态软件设计的上位机监控软件界面如图3所示。

2.3  PLC控制的实现

空压机自动化系统采用两种控制方式，人工手动控制与自动控制。自动控制的过程简单描述如下：首先打开冷却水阀，变频器与电动机实现了联机，变频器输出频率开始变化，从0Hz开始升高，整个变化的频率及压力变送器获取的信号均由PLC获取，根据系统的预设控制方案，对各个空压机轮训控制。PLC控制程序流程图如图4所示。

3 结语

使用PLC、变频器、现场总线及软件技术实现的煤矿螺杆式空压机控制系统的改造，克服了传统继电器控制方式的能耗过大、稳定性差、影响设备使用寿命等问题，通过PLC结合变频器实现对空压机启动、停止等控制，使用变频器完成空压机功率的调整实现空压机输出气压的控制，同时使用MCGS组态软件实现了空压机上位机监控界面的模拟，实现了远程监控功能，整个系统组建便捷、稳定可靠，具有较好的推广价值。

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