西门子长春PLC模块总代理

1 引言

　　空压机作为煤矿生产的四大件设备之一，它的安全与高效运转是保证煤矿安全高效人性化工作的前提条件。根据《煤矿安全规程》法规，必须对空压机运转过程中主要技术参数进行实时监控与安全保护。空压机是煤矿大型共用耗电装备，各矿井用风设备包括井口绞车系统、井上下装卸载、井下巷道喷浆等，而且用风时间不统一，用风量不稳定，因此空压机必须连续运转，当用风量小时导致空压机长时间低压负荷运行，电能损耗增大并加剧了设备的磨损，增加了运行成本。如负荷小时将设备停机（或部分设备停机），将导致操作频繁，缩短设备寿命，而且会影响用风设备及风动工具的正常工作。

　　例如某煤矿案例，有四台压缩机现在各自独立操作运行，并具有监测本压风机各个运行环节的主要参数作用，在控制供风压力方面各台压风机均以本机的监测为主，这种控制方法在独立供气管道运行时可以使用，但是在多台机器同时并网工作时出现一些不合理的运行状况：在多台压风机设定工作压力一致时，常出现一台或多台连续运行不卸荷，而另一台长期不运行或不加载的状况，同时还会出现多台同时投入加载运行或同时卸载的状况。单纯靠人工开停机也不能很好控制压风机的运行时间均等，很难保证压缩空气的供气质量，也不利于对压风机的维护管理，同时加大了操作维护人员的工作量。对压风机的使用寿命也有很大的影响，为此有必要将多台并网运行的压风机集中控制联网，充分发挥各压风机的性能，使系统在保证供气质量的前提下，实现大限度的节能与运行时间的均等，延长压风机的使用寿命，有利于压风机的维护。

2 控制系统方案

　　2.1 控制系统硬件结构

　　压风机集中控制系统组成系统图如图1所示，有上位工控机系统、plc下位机、传感器、触摸屏等组成。上位工控机系统由工业控制计算机、后备电源（ups）、打印机等组成；其主要完成压风机远程参数的监控、运行参数设置及其数据处理、查询等功能。plc下位机系统：现场plc控制系统选用西门子s7-300系列可编程序控制器作为监控核心。充分利用可编程序控制器能适应各种恶劣现场条件，现场抗干扰能力强的特点，且安装维护方便，其模块化结构，配置相应的通讯接口与各压风机控制器通讯；与上位计算机进行通讯可以采用profibus或工业以太网；系统配置合理，技术可行，完全可以满足现场使用要求。该部分主要是根据设定的操作方式，实时采集总管空气压力，自动控制各台压风机运行及保护功能。现场传感器实时采集现场物理量信号，并将其转换为标准电信号传送给cpu。本系统现场使用的传感器较多，如压力、温度、电流、电压、功率、电量等等。为减少传输误差，提高检测精度，均选用带变送器，性能可靠，寿命长，输出标准电流信号4-20ma的传感器，直接采集现场信号，并配以二线制rvvp电缆单独传送，以进一步提高整套系统的可靠性。

　压力变送器采用gpt系列变送器，作为一种能够将压力信号直接转换为4-20ma标准电流输出的压力变送单元，其核心传感器采用了经激光烧刻补偿技术制造的扩散硅进口器件，由传感器生成的电信号经过变送电路完成放大、线性修正、温度补偿、电流转换，终形成与被测压力成正比的4-20ma标准输出。该变送器采用独特的一体化全不锈钢免维护结构，具有良好的密封、散热和抗震、耐腐蚀性能，加上输出传送方式具有长线抗干扰能力，使变送器能够在测量现场恶劣环境下长期在线工作。

　　2.2 系统功能设计

　　（1） 能够自动采集、显示压风机的各种运行参数，控制压风机运行。

　　（2） 能够根据检测到的信号判断压风机的工作情况，故障时能及时发出报警信号，并根据故障类型停止压风机。

　　（3） 有启动、停止、正常停车、故障停车、紧急停车、预告、保护及故障报警功能。

　　（4） 系统通过plc及控制网络可方便地采集现场设备开/停及故障状态、电机电流等实时数据。

　　（5）实现自动（动态）恒压供风。当系统在自动集控工作方式时，系统根据设定的供气压力值，自动控制卸荷或加载。当压力值当风压达到设定值时，自动停机（卸荷）；风压降到低值时，自动启动或关闭卸荷阀。

　　（6）安全可靠地报警保护。每台压风机均可具有：出气压力超限保护、出气超温保护、吸气阻力过大保护、润滑油超温保护、润滑油量不足保护、主电机超载保护、冷却风机超载保护等功能。

2.3 plc控制方式设计

　　（1）自动集控方式。系统具有多种控制方式。根据设置，该系统可以工作在集中方式plc根据设定的工作时间和工作压力值、总管当前实时压力值，自动判断当前投入/切除系统中的压风机台数，经特定的运算处理，以便对运行中的压风机进行加载或者卸荷或切除系统、投入系统工作。

　　（2） 就地控制方式。该工作模式为通过就地操作台上的触摸屏按钮或者操作台按钮来独立控制每台压风机的启动或停机。

　　（3）远程控制方式。在该模式下，通过上位计算机的操作来控制各压风机系统的运行。系统对操作员有权限管理，有一定的权限的操作员才可以进行远程操作。

3 软件系统设计

　　上位机监控由pc机和组态软件构成。pc机使用桌面电脑，组态软件选用北京亚控公司的组态王kingvie -w6.52。组态王6.52是一个具有丰富功能的hmi/scada软件。可用于工业自动化的过程控制和管理监控。组态王6.52为系统工程师提供了集成、灵活、易用的开发环境和广泛的功能，能够快速建立、测试和部署自动化应用，来连接、传递和记录实时信息。用户可以实时查看和控制工业生产过程。组态王还提供了一套全新的、集成的报表系统，内部提供丰富的报表函数，用户可以根据工程的需要任意改变报表的外观。组态王的web画面发布采用分组式发布，网站式浏览的形式，设计者和操作人员无需做更多的事情。web发布的安全管理分为两级，普通用户只能浏览画面，不能修改数据；而用户（调度中心，厂长办公室）则可以看到所有发布的画面，而且可以读写相关数据和操作原画面中的有权限设置的图素等。

　　上位机监控画面主要有5个功能界面组成，分别是主监控界面、实时报表界面、历史数据界面、报警查询界面、远程控制界面。它们分别对应着5个按钮，这5个按钮和一个系统退出按钮同时位于每个界面的下面，其位置是相对不变的。

　　下位机软件设计主要为plc监控软件的设计，在本系统中为重要软件设计部分。该系统软件的开发环境为siemens simatic step7 v5.3编程软件，用模块式结构程序方式编程，这样既可增强程序的可读性，方便调试和维护工作，又能使数据库结构统一。程序主要分为：通讯子程序、风机控制子程序、数据处理子程序、保护功能处理子程序等。

操作屏组态软件使用西门子公司的winccflexible2005组态软件。整个监控系统的界面布局分为静态区域和动态区域，静态区域在画面切换过程中是固定不变的，它位于整个界面的上部，放置了七个切换按钮，分别为：监控画面，实时报表，开关状态，报警查询，报警设置，运行设置和系统管理；静态部分下面就是动态部分，它们分别为七个切换按钮所对应的画面，随着点击不同的切换按钮可以变换不同的画面。

4 结束语

　　随着煤矿近年来现代化管理水平的迅速提高，信息化建设的步伐也在不断加快。同时为保障煤炭的安全生产、提高全矿的生产效益，必须保证供气系统的可靠、稳定、合理地运行，及时发现压风机运行系统中存在的隐患；对压风机系统实行数字化监控，为矿各级领导和职能管理部门及时、准确地掌握压风机系统的实时运行状态，对压风机系统实现集中监控具有十分的必要性和重要性。项目为信息化建设提供较好的建设平台。

　4、手动调速和自动调速的切换程序

　X12为冷却泵手/自动调速切换开关；X13为冷冻泵手/自动调速切换开关；

　　5、温差自动调速程序（以冷却泵为例说明）

　温差采样周期，因温度变化缓慢，时间定为5秒能满足实际需要；当温差小于4.8℃时，变频器运行频率下降，每次调整0.5Hz；当温差大于5.2℃时，变频器运行频率上升，每次调整0.5Hz；当冷却进出水温差在4.8～5.2℃时不调整变频器的运行频率。从而保证冷却泵进出水的温差恒定，实现节能运行。

　6、冷冻泵和冷却泵的变频器运行和停止控制

　　2台变频器驱动的冷却泵和2台变频器驱动的冷冻泵的起停控制用简单逻辑顺序的控制，PLC程序此处略。

　　7、变频器的保护和故障复位控制

　　变频器的过电流电子热保护动作时PLC能自动检测，给出报警信号，提醒值班人员及时处理，以下为变频器故障后的复位PLC程序:

十、实际调试及遇到的问题

　　1、整改设备安装完毕后，先将编好的程序写入PLC，设定变频器参数，检查电器部分并逐级通电调试。

　　2、投入试运行时，在人为地减少负荷，冷冻泵频率自动降到30Hz时，冷冻主机故障停机，经查是由于冷冻水水流开关动作造成，经维修（更换）后恢复正常。

　　3、当仅开一台机组，冷冻泵运行在25Hz时，（首次设定频率下限为25Hz。）发现顶层部分房间的冷冻水流量偏小，温升偏高，不能满足冷量需求。经现场分析：虽然冷冻水循环为垂直及水平同程系统，各楼层负载管道水阻几乎相等，但由于管道远处达100多米，管道保温也有不太理想的地方，冷冻水沿程的冷量损失较大，后将冷冻水管道保温重新检修；冷冻泵频率下限也调整至30Hz。经维修、调整后，检测各点工作状况达到较理想要求。

　　4、用高精度温度计检测各点温度，以便检验温度传感器的度及校验各工况状态。将二楼西餐厅、地下一层桑拿按摩中心等负荷需求不大或装机容量偏大的设备，手动调小阀门，避免电动阀的频繁开停或造成局部的大流量小温差。

　　5、冷却水循环也遇到类似冷冻水系统相似的问题，首次将冷却泵频率下限设为25Hz，在试运行时，冷却塔布水器不能均匀转动布水，后调整为30Hz，恢复正常。

　　十一、技术改造后的运行效果比较

　　1、节能效果及投资回报

　　进行技术改造后，系统的实际节电率与负荷状态、天气温度变化等因素有一定关系。根据系统改造后一年的运行记录（2004年4月——2005年3月），参考2003年度实际用电情况，共节约用电约22.2万度（见附表一、附表二节能改造前后实测用电对比），电价按1.0元/KWH计算,每年可节约22万元，平均节能在30.85%。经济效益十分显著。这次设备改造总投资13万元，改造后投入运行不用一年即已收回成本，以后每年可为酒店节约用电约22万元。

　　2、对系统的正面影响

　　由于冷冻泵、冷却泵采用了变频器软启停，消除了原来Y-Δ启动大电流对电网的冲击，用电环境得到了改善；消除了Y-Δ启停水泵产生的水锤现象对管道、阀门、压力表等的损害;消除了原来直接启停水泵造成的机械冲击，电机及水泵的轴承、轴封等机械磨擦大大减少，机械部件的使用寿命得到延长；由于水泵大多数时间运行在额定转速以下，电机的噪声、温升及震动都大大减少，电气故障也比原来降低，电机使用寿命也相应延长。

　　由于采用了温差闭环变频调速，提高了冷冻机组的工作效率，提高了自动化水平。原来几乎每天都要对冷冻机出水温度进行调整，现在仅在环境温度变化较大时进行调整冷冻机出水温度。减少了人为因数的影响，大大优化了系统的运行环境、运行质量，酒店的空调室温比原来更平稳均匀了。

　　十二、结论

　　我酒店中央空调系节能改造工程于2004年3月底完成，系统改造后投入使用已一年多，至今运行正常。

　　改造工程是在春天空调低负荷的时候进行，没有对酒店营运造成负面影响，由于采用了4台变频器，对经常运行的冷冻泵、冷却泵进行一对一的技术改造，大限度地为水泵争取了变频运行的时间，把节能空间争取到大，虽然一次性投资较大，但从长远的经济利益来看是值得的。从过去运行一年中所取得的显著经济效益及系统的综合效益，也验正了利用变频器、PLC、数模转换模块、温度模块、温度传感器等组成的温差闭环自动控制系统，对中央空调系统的节能改造成是成功的。达到我们当初设计的预期效果。

　十三、结束语

　　在科技日新月异的今天，积极推广高新技术的应用，使其转化为生产力，是我们工程技术人员应尽的社会责任。对落后的设备生产工艺进行技术革新，不仅可以提高生产质量、生产效率，创造可观的经济效益。对节能、环保等社会效益同样有着重要的意义