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摘要：介绍了一种基于PLC的恒压供气系统的构成和工作原理。系统采用PLC控制加、减空压机机组台数，采用变频调速方式自动调节空压机电机转速，自动完成机组软启动及无冲击切换，使气压平稳过渡。变频器故障时系统仍可运行，保证不间断供气。系统断电恢复后可自启动。采用硬件/软件备用及钟控功能，使各机组进行轮休，延长了设备的机械使用寿命。
关键词：空压机；变频调速；恒压供气；PLC
前言
单位现有空压机3台，单台电机功率160KW。为便于管理集中放置，三台分别按照单机控制模式工作，为保证工作压力三台都处于热备用状态，为防止空压机的频繁启动，采用先启后停模式，然工作一定时间发现，三台空压机的加载率不均匀从15%-70%不等，然停掉一台又出现供气不足现象，空载无用电能浪费严重。经分析研究后采取了以下变频恒压供气系统改造予以解决，改造后取得显著的节能效果。
1、系统构成
变频恒压供气系统原理如图1所示，它主要是由PLC、变频器、PID调节器、TC时间控制器、压力传感器、动力控制线路以及3台空压机等组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。三台空压机组中每台机组的出气管均装有手动阀，以供维修和调节之用。通过安装在出气管网上的压力传感器，把出口压力信号变成0-10V的标准信号送入PID调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，送给变频器，由变频器控制空压机电机的转速，调节系统供气量，使供气系统管网中的压力保持在给定压力上；当用气量超过一台机组的供气量时，通过PLC控制器加机组。根据用气量的大小由PLC控制工作机组数量的增减及变频器对电机的调速，实现恒压供气。当供气负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。同时系统配备的时间控制器和PID控制器，使其具有定时换机组运行功能（即钟控功能，由时间控制器实现）和双工作压力设定功能（PID控制器和时间控制器实现）。此外，系统还设有多种保护功能，可充分保证了机组的及时维修和系统的正常供气。
PLC是供气系统的核心，通过PLC改变空压机组的运行数量并控制一台变频器的输出频率实现电机的无极调速、无波动稳压的效果和各项功能。
2 工作原理
运行方式：手动、自动
（1）手动运行
按下按钮启动或停止机组，可根据需要分别控制1#-3#机组的启停。该方式主要供检修及变频器故障时用。
（2）自动运行
合上自动开关后，1#机组电机通电，变频器输出频率从0Hz上升，同时PID调节器接收到自压力传感器的标准信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升到50Hz，1#机组由变频切换为工频，启2#变频，变频器逐渐上升频率至给定值，加机组依次类推；如用气量减小，从先启的机组开始减，同时根据PID调节器给的调节参数使系统平稳运行。
若有电源瞬时停电的情况，则系统停机；待电源恢复正常后，系统自动恢复运行，然后按自动运行方式启动1#机组变频，直至在给定气压值上稳定运行。
3 PLC控制系统
该系统采用的是西门子可编程序控制器S7-200CN CPU 224XP CN 214-2BD23-OXB8。人机界面采触摸屏Smart 1000 IE V3 6AV6 648 -0CE11-3AX0 为了提高整个系统的性价比，该系统采用开关量的输入/输出来控制机组的启停、定时切换、软起动、循环变频及故障的报警等，而电机转速、压力等模拟量则PLC模拟量输入输出、PID调节器及变频器来控制。
开始时，若硬件、软件皆无备用（两者同时有效时硬件优先），1#机组变频启动，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50Hz而此时气压还在下限值，延时一段时间（避免由于干扰而引起误动作）后，1#机组切换至工频运行，同时变频器频率由50Hz滑停至下限频率。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆2#机组变频启动，如气压仍不满足，则依次启动3#机组，机组的切换过程同上；若开始时1#机组备用，则直接启2#变频，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50Hz而此时气压还在下限值，延时一段时间后，2#机组切换至工频运行，同时变频器频率由50Hz滑停至下限频率，3#机组变频启动，如气压仍不满足，则启动1#机组，机组的切换过程同上；若1#、2#泵机组都备用，则直接启3#变频，具体机组的切换过程与上述类同。
同样，若3台机组（假设为1#、2#和3#）运行时，3#机组变频运行降到下限频率，此时气压仍处于上限值，则延时一段时间后使1#机组停止，变频器频率从0Hz迅速上升，若此后气压仍处于上限值，则延时一段时间后使2#机组停止。这样的切换过程，有效地减少机组的频繁启停，同时在实际管网对气压波动做出反应之前，由变频器迅速调节，使气压平稳过渡，从而有效的避免了远端用户短时间气压不足情况的发生。在该系统中，直接停工频机组，同时由变频器迅速调节，只要参数设置合适，即可实现机组的无冲击切换，使气压过渡平稳，有效的防止了气压的大范围波动现象，提高了供气品质。
4 变频器下限频率的确定
尽管通用变频器的频率都可以在0-400Hz范围内进行调节，但当正在变频状态下运行的空压机电机要切换到工频状态下运行时，只能在50Hz时进行。50Hz成为频率调节的上限频率。当变频器的输出频率己经到达50Hz时，即使实际供气压力仍然低于设定压力，也不能够再增加变频器的输出频率了。要增加实际供气压力，正如前面所讲的那样，只能够通过空压机机组切换，增加运行机组数量来实现。变频器的输出最低只能是0Hz。但在实际应用中，当电机运行频率下降到一个值时，机组产生的压力无法克服管网的压力，再无法向管网供气。这个频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。具体数值与空压机的特性及系统所使用的场所有关，经试验该公司的下限频率设为32Hz。
5 注意事项
要使系统稳定的运行，有几个问题需注意：
（1）合理配置压缩气供气管路
按照压缩气消耗的气量合理配置管路，该公司采用了环路结构，对于瞬间用气量突变的点设置储气罐，以防止气量的瞬间增大气压突降影响使用。
（2）变频转工频开关切换时间
设置变频转工频开关切换时间是为了确保在加机组时，机组由变频转为工频的过程中，同一台机组的变频运行和工频运行各自对应的交流接触器不会同时吸合而损坏变频器，同时为了避免工频启动时启动电流过大而对电网产生的冲击，所以在允许范围内变频转工频开关切换时间必须尽可能的小。
（3）上下限频率持续时间
变频器运行的频率随管网用气量增大而升高，本系统以变频器运行的频率是否达到上限（下限）、并保持一定的时间为依据来判断是否加机组（减机组），这个判断的时间就是上下限频率持续时间。如果设定值过大，系统就不能迅速的对管网用气量的变化做出反应；如果设定值过小，管网用气量的变化时就很可能引起频繁的加减泵动作；两种情况下都会影响恒压供气的质量。
6 结束语
本改造系统以PLC和变频器为核心，借助于PLC强大而灵活的控制功能和内置PID的变频器优良的变频调速性能，实现了恒压供气的控制。该系统采用PCL控制变频器进行PID调节，按实际需要随意设定压力给定值，根据压差调整机组的工作情况，实现恒压供气，使空压机始终在高效率下运行。针对所用三台空压机均已使用多年、需要定期进行检修的实际情况，增加了硬件/软件备用功能，有效延长了设备的使用寿命；压力闭环控制，系统用气量任何变化均能使供气管网的压力保持给定，大大提高了供气品质；变频器故障后仍能保障不间断供气，同时实现故障消除后自启动，具有一定的先进性。系统改造投入使用后，加载率已达到90%以上，各机组运行总时长减少50%以上，节能效果明显。
参考文献：
[1]廖常初.PLC编程及应用.北京：机械工业出版社，2003.7
[2]岳庆来.变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用技术.北京：机械工业出版社，2006.5
[3]廖常初.西门子人机界面.北京：机械工业出版社，2008.6
论文作者:王继胜
论文发表刊物:《电力设备》2017年第7期
论文发表时间:2017/6/28
标签：机组论文; 变频器论文; 频率论文; 系统论文; 气压论文; 气量论文; 空压机论文; 《电力设备》2017年第7期论文;