翟世寬

(秦皇島首鋼板材有限公司，河北秦皇島 066003)

0 引言

空壓機(jī)作為工礦企業(yè)中最常用的空氣動(dòng)力提供設(shè)備，其負(fù)責(zé)為工廠所有氣動(dòng)元件提供氣源，成為工藝流程中的核心設(shè)備，故其運(yùn)行的好壞直接影響生產(chǎn)工藝。同時(shí)，作為長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備，其每年的電能消耗也相當(dāng)可觀，針對(duì)某公司空壓機(jī)電能浪費(fèi)嚴(yán)重，節(jié)能需求迫切的現(xiàn)狀，經(jīng)過(guò)深入研究和探討，決定對(duì)空壓機(jī)傳統(tǒng)控制方式進(jìn)行改造，結(jié)合變頻器的諸多優(yōu)點(diǎn)，制定了完整的空壓機(jī)恒壓變頻控制改造方案。

1 空壓機(jī)傳統(tǒng)控制方式存在的問(wèn)題

由于空壓機(jī)電機(jī)是按照生產(chǎn)最大用氣量選擇的，因此電機(jī)容量都留有一定余量，但生產(chǎn)中設(shè)備用氣量多少會(huì)受到生產(chǎn)節(jié)奏影響，用氣量少時(shí)就會(huì)出現(xiàn)非滿負(fù)荷狀態(tài)下空載運(yùn)行的情況，當(dāng)管網(wǎng)壓力達(dá)到上限時(shí)，空壓機(jī)自動(dòng)打開卸載閥，電機(jī)空轉(zhuǎn)。經(jīng)過(guò)觀察，該公司132 kW的空壓機(jī)電機(jī)額定電流為250 A，空壓機(jī)在加載時(shí)的運(yùn)行電流是200 A，卸載時(shí)的運(yùn)行電流是90 A，此時(shí)電機(jī)功率因數(shù)約降低到0.35，其卸載功耗約占滿載功耗的45%，所以直接影響電源質(zhì)量，并造成嚴(yán)重的電能浪費(fèi);其次，雖然空壓機(jī)電機(jī)采用Y-△減壓起動(dòng)，但起動(dòng)電流仍然很大，對(duì)電網(wǎng)沖擊大，易造成電網(wǎng)不穩(wěn)定，并威脅其他用電設(shè)備的運(yùn)行安全，同時(shí)工頻起動(dòng)時(shí)對(duì)設(shè)備沖擊也較大，電機(jī)軸承及空壓機(jī)磨損增大;最后由于傳統(tǒng)空壓機(jī)自動(dòng)化程度低，輸出壓力的調(diào)節(jié)是通過(guò)控制卸荷閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的，調(diào)節(jié)速度慢、波動(dòng)大、精度低，造成管網(wǎng)輸出壓力不穩(wěn)定，同時(shí)由于空壓機(jī)不斷反復(fù)加載、卸載，將直接導(dǎo)致工頻運(yùn)行噪聲大，如果持續(xù)工頻高速運(yùn)行，超過(guò)所需工作壓力的額外壓力，會(huì)造成空壓機(jī)二級(jí)排氣溫度較高，其日常平均溫度約120℃，此時(shí)將會(huì)達(dá)到150℃以上，嚴(yán)重影響其使用壽命。

綜上所述，若能對(duì)傳統(tǒng)空壓機(jī)控制方式進(jìn)行變頻改造，當(dāng)生產(chǎn)設(shè)備用氣量需求減少時(shí)，就可通過(guò)降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速、減小電機(jī)運(yùn)行消耗功率、提高功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，同時(shí)對(duì)存在的其他問(wèn)題也能夠得到較好的解決。

2 空壓機(jī)恒壓變頻調(diào)速改造方案

針對(duì)原空壓機(jī)控制方式存在的諸多問(wèn)題可以采用恒壓變頻控制設(shè)計(jì)方案，應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行恒壓供氣控制，同時(shí)為了確保電氣安全和穩(wěn)定性，該套設(shè)計(jì)方案包括兩種控制方式，即手動(dòng)控制方式和自動(dòng)控制方式。由于該公司2009年曾對(duì)空壓機(jī)各種數(shù)據(jù)顯示進(jìn)行過(guò)一次改造，即取消各種儀表顯示，通過(guò)安裝西門子PLC S7-300采集空壓機(jī)各種模擬量數(shù)據(jù)，并在上位機(jī)WINCC監(jiān)控畫面進(jìn)行顯示，采集數(shù)據(jù)包括管網(wǎng)壓力、一級(jí)缸溫度、二級(jí)缸溫度、后冷溫度、冷卻水壓力、冷卻水溫度及油壓等重要數(shù)據(jù)，考慮PLC已將現(xiàn)場(chǎng)管道壓力信號(hào)、油壓、水壓等信號(hào)進(jìn)行了采集，可以直接應(yīng)用這些數(shù)據(jù)編程，所以決定利用PLC編寫控制程序。該方案中手動(dòng)控制方式是指空壓機(jī)起動(dòng)為變頻器軟起動(dòng)，起動(dòng)完成后以50 Hz運(yùn)轉(zhuǎn)，空壓機(jī)打壓、卸荷通過(guò)管網(wǎng)壓力傳感器信號(hào)，在PLC內(nèi)部編程比較控制其通斷，該控制方式相當(dāng)于將原來(lái)外部接觸器起動(dòng)改為變頻器軟起動(dòng);自動(dòng)控制方式是指變頻調(diào)速系統(tǒng)以供氣管網(wǎng)壓力作為控制對(duì)象，采用PLC內(nèi)部壓力設(shè)定值與管網(wǎng)壓力反饋信號(hào)組成閉環(huán)恒壓控制系統(tǒng)，通過(guò)PLC內(nèi)部PID功能塊FB41進(jìn)行比較計(jì)算，然后通過(guò)PLC模擬量輸出模塊輸出作為變頻器運(yùn)行給定值，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)其運(yùn)行頻率，最終達(dá)到空壓機(jī)恒壓供氣和節(jié)能的目的。整套控制系統(tǒng)由PI7800變頻器、PLC S7－300、壓力傳感器和電機(jī)組成。

2.1 空壓機(jī)改造設(shè)備參數(shù)

(1)空壓機(jī)型號(hào):L型雙缸二級(jí)復(fù)動(dòng)水冷空氣壓縮機(jī) 4L－20/8，軸功率 118 kW，轉(zhuǎn)速400 r/min;

(2)電機(jī)型號(hào):Y315M2－6，額定功率132 kW，額定電壓380 V，額定電流250 A，960 r/min;

(3)變頻器型號(hào):PI7800 200G3，額定電流200 A;

(4)油泵電機(jī)型號(hào):Y90L－6 1.1 kW 3.2 A，電接點(diǎn)壓力表0.25 MPa;

(5)水泵電機(jī)型號(hào):Y160M2－2 15 kW 32 A，水壓壓力 0.18 MPa。

2.2 恒壓變頻PLC程序設(shè)計(jì)

在該改造設(shè)計(jì)方案中，利用原有PLC系統(tǒng)的編寫功能 FC5，通過(guò) PLC內(nèi)部壓力設(shè)定值0.645 MPa與管網(wǎng)壓力信號(hào)求取偏差(管道壓力傳感器輸出信號(hào)為4～20 mA電流信號(hào))，然后經(jīng)過(guò)PID功能塊FB41進(jìn)行PID閉環(huán)控制模式計(jì)算(經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，PI取值分別為P=40，I=8)，最后輸出模擬量電壓控制信號(hào)0～10 V作為變頻器運(yùn)行給定值進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，從而保證實(shí)際壓力始終接近設(shè)定壓力。同時(shí)，為了保證空壓機(jī)供氣壓力系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定，防止出現(xiàn)管網(wǎng)壓力過(guò)高、無(wú)潤(rùn)滑油等情況時(shí)不能及時(shí)停車的事故，在編寫功能FC5程序時(shí)加入了電機(jī)起車及故障停車條件，保護(hù)功能還包括將空壓機(jī)潤(rùn)滑油壓和冷卻水壓作為空壓機(jī)電機(jī)起停的必要條件;如果出現(xiàn)管網(wǎng)壓力變送器斷線，PLC輸出固定頻率(25 Hz)作為變頻器運(yùn)行給定，保證供氣不中斷;當(dāng)管網(wǎng)壓力超過(guò)上限0.7 MPa時(shí)，PLC輸出停車信號(hào)，變頻器停止運(yùn)行;當(dāng)管網(wǎng)壓力低于下限0.6 MPa時(shí)，PLC輸出起車信號(hào)，變頻器自動(dòng)運(yùn)行;同時(shí)，將潤(rùn)滑油壓高低報(bào)警、水壓高低報(bào)警、管網(wǎng)壓力高低報(bào)警及變送器斷線等故障信息通過(guò)PLC輸出報(bào)警，編寫程序時(shí)各開關(guān)量都經(jīng)過(guò)3 s延時(shí)輸出動(dòng)作，以防止外部干擾或傳感器采樣值處于臨界狀態(tài)誤動(dòng)作。

2.3 變頻器外部接線和參數(shù)設(shè)置

變頻器外部接線如圖1所示，通過(guò)轉(zhuǎn)換開關(guān)SA實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式，空壓機(jī)電機(jī)如滿足起車條件，則PLC開關(guān)量輸出點(diǎn)K1閉合，允許起車，否則不允許起車;若在運(yùn)行中起車條件丟失，K1斷開，變頻器會(huì)自動(dòng)停車保護(hù)，同時(shí)變頻器外部接有故障復(fù)位按鈕和報(bào)警指示。轉(zhuǎn)換開關(guān)SA處于自動(dòng)控制方式時(shí)，變頻器給定值為PLC模擬量輸出值;轉(zhuǎn)換開關(guān)SA處于手動(dòng)控制方式時(shí)，變頻器給定直接接入直流10 V電壓信號(hào)，同時(shí)為卸荷閥提供24 V直流電源，卸荷閥動(dòng)作由PLC輸出K2點(diǎn)控制，當(dāng)管網(wǎng)壓力大于0.68 MPa時(shí)，閉合卸荷，管網(wǎng)壓力小于0.64 MPa時(shí)，斷開打壓。變頻器相應(yīng)參數(shù)設(shè)置見表1(其他參數(shù)為出廠值)。

2.4 空壓機(jī)變頻調(diào)試及改進(jìn)

下面針對(duì)空壓機(jī)在恒壓變頻調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了以下幾方面的改進(jìn)，具體改進(jìn)如下。

圖1 空壓機(jī)變頻改造電氣圖紙

表1 變頻器參數(shù)設(shè)置

(1)空壓機(jī)改為恒壓變頻控制后，電機(jī)運(yùn)行頻率會(huì)隨著設(shè)備用氣量的變化而變化，用氣量少時(shí)會(huì)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在約20 Hz?？諌簷C(jī)不允許長(zhǎng)時(shí)間在低頻下運(yùn)行，因?yàn)榭諌簷C(jī)缸體潤(rùn)滑為自身潤(rùn)滑，潤(rùn)滑油通過(guò)缸體運(yùn)行自動(dòng)帶動(dòng)潤(rùn)滑油潤(rùn)滑，如果電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)低，供油油壓降低，缸體的潤(rùn)滑會(huì)變差，加快磨損;在設(shè)備改造完成后試車時(shí)，發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑油壓遠(yuǎn)低于0.25 MPa。經(jīng)研究決定，采用外部供油方式解決潤(rùn)滑油壓不足的問(wèn)題，將自身油循環(huán)系統(tǒng)改為由一臺(tái)1.1 kW獨(dú)立油泵電機(jī)拖動(dòng)實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑，試車成功。

(2)由于該公司空壓機(jī)為L(zhǎng)型雙缸二級(jí)復(fù)動(dòng)水冷空氣壓縮機(jī)，因此為保證空壓機(jī)的正常工作，必須保證氣缸運(yùn)行在正常溫度范圍內(nèi)，必須嚴(yán)格要求冷卻水溫度和壓力。同樣，為保證空壓機(jī)的正常潤(rùn)滑，必須要求潤(rùn)滑油壓達(dá)到額定壓力，因此將水壓、油壓信號(hào)作為空壓機(jī)正常起車運(yùn)行的必要條件，通過(guò)在PLC內(nèi)部編寫相應(yīng)的連鎖保護(hù)程序，同時(shí)外部串入明顯的開點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，這樣將使空壓機(jī)運(yùn)行更加穩(wěn)定，為防止管網(wǎng)壓力變送器損壞，將壓力高信號(hào)編入PLC內(nèi)停車，防止出現(xiàn)管網(wǎng)壓力超高事故。

(3)由于空壓機(jī)采用變頻控制方式運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)能根據(jù)用戶設(shè)定壓力和壓力反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒壓控制，所以當(dāng)生產(chǎn)用氣量較小時(shí)，空壓機(jī)電機(jī)可能將長(zhǎng)時(shí)間處于低速打壓狀態(tài)，不利于電機(jī)自冷風(fēng)扇的散熱，從而導(dǎo)致電機(jī)溫升過(guò)高甚至燒毀電機(jī)繞組。因此，在編寫PLC程序時(shí)，將頻率低于15 Hz作為變頻器自行停車條件之一，杜絕電機(jī)長(zhǎng)期低頻率、大電流運(yùn)行。

(4)為了方便統(tǒng)計(jì)空壓機(jī)用電量，通過(guò)使用西門子PLC S7－300的循環(huán)中斷OB35編寫程序，進(jìn)行用電量統(tǒng)計(jì)，同時(shí)在WINCC監(jiān)控畫面上做出趨勢(shì)圖，這樣可以更加直觀地了解實(shí)際用電量，能間接反應(yīng)生產(chǎn)線設(shè)備的用氣情況。PI7800變頻器模擬量輸出選項(xiàng)如表2所示，輸出功率設(shè)定值為7，輸出信號(hào)范圍定義為0～200%(即實(shí)際輸出功率可顯示2倍電機(jī)額定功率)。本設(shè)計(jì)中選用模擬量輸出端子 DA1輸出功率信號(hào)，即F69.o06=7，輸出信號(hào)選擇電流信號(hào)4～20 mA。由于變頻器模擬量默認(rèn)為電壓輸出，選擇電流輸出時(shí)需要用連片短接控制板上的JP3針腳DA1C，如圖2所示。相應(yīng)參數(shù)設(shè)置:F69.o08=20、F69.o09=100。

3 空壓機(jī)變頻恒壓控制的優(yōu)點(diǎn)

空壓機(jī)進(jìn)行恒壓變頻改造后，由于空壓機(jī)起動(dòng)具有軟起動(dòng)功能，因此起動(dòng)、打壓時(shí)的電流上升更加平緩，降低了起動(dòng)沖擊電流和起動(dòng)瞬間給空壓機(jī)帶來(lái)的機(jī)械沖擊;空壓機(jī)根據(jù)用氣量自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率低，二級(jí)缸溫度降低，機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)噪聲變小，軸承磨損相對(duì)減小，設(shè)備維護(hù)量變小，延長(zhǎng)了空壓機(jī)使用壽命;空壓機(jī)采用恒壓變頻改造后，由于采用PID閉環(huán)恒壓自動(dòng)調(diào)節(jié)控制方式，提高了管網(wǎng)壓力控制精度，保證了供氣質(zhì)量;空壓機(jī)根據(jù)用氣量自行調(diào)節(jié)輸出功率，電機(jī)平均總功耗下降，運(yùn)行功率因數(shù)提高，變頻改造前空壓機(jī)在打壓時(shí)的平均運(yùn)行電流是200 A，卸載時(shí)的平均運(yùn)行電流是90 A，變頻改造后空壓機(jī)電機(jī)的運(yùn)行頻率約為27 Hz，變頻器輸出電流約為160 A。

表2 變頻器模擬量輸出選項(xiàng)

圖2 DA1電流輸出端子選擇

4 空壓機(jī)變頻改造效益分析

在節(jié)電方面，通過(guò)實(shí)際測(cè)量耗電量改造后，每小時(shí)平均節(jié)電13°，每年節(jié)電量約為1.1萬(wàn)度，按照電價(jià)每度0.6元計(jì)算，每年平均節(jié)約費(fèi)用6.8萬(wàn)元;在機(jī)械磨損方面，改造完成后空壓機(jī)二級(jí)排氣平均溫度約為95℃，最高未超過(guò)110℃，在一定程度上降低了機(jī)械磨損，同時(shí)也節(jié)約了設(shè)備檢修和備件消耗費(fèi)用;間接經(jīng)濟(jì)方面，恒壓變頻改造完成后，電機(jī)轉(zhuǎn)速降明顯低，每天潤(rùn)滑油消耗量比以前節(jié)省約1/2，按照油價(jià)平均價(jià)格1 600元計(jì)算，每年節(jié)省潤(rùn)滑油費(fèi)用約0.8萬(wàn)元(冬季19#潤(rùn)滑油，價(jià)格1 700元，夏季13#潤(rùn)滑油，價(jià)格1 500元，一年共計(jì)10桶)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)傳統(tǒng)控制方式下的空壓機(jī)進(jìn)行了恒壓變頻改造，同時(shí)對(duì)調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的新問(wèn)題進(jìn)行了解決，希望這些改造經(jīng)驗(yàn)?zāi)芙o讀者提供借鑒?？諌簷C(jī)恒壓變頻改造完成后，保證了管網(wǎng)壓力穩(wěn)定，節(jié)約了一筆數(shù)目可觀的電力費(fèi)用，同時(shí)也間接延長(zhǎng)了空壓機(jī)的使用壽命，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率和保證了產(chǎn)品的工藝質(zhì)量。

［1］普傳變頻器有限公司.普傳PI7600 7800系列變頻器說(shuō)明書［G］.2008.

［2］廖常初.S7－300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.