11緒論空氣壓縮機(jī)是一種利用電動(dòng)機(jī)將氣體在壓縮腔內(nèi)進(jìn)行壓縮并使壓縮的氣體具有一定壓力的設(shè)備。作為基礎(chǔ)工業(yè)裝備之一，空壓機(jī)在冶金、機(jī)械制造、礦山、電力、紡織、石化、輕紡等幾乎所有的工業(yè)行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用?？諌簷C(jī)占大型工業(yè)設(shè)備(風(fēng)機(jī)、水泵、鍋爐、空壓機(jī)等)耗電量的15%。由于結(jié)構(gòu)原理的原因，大部分空壓機(jī)的運(yùn)行控制均將空壓機(jī)輸出的空氣壓力即管路儲(chǔ)氣罐壓力作為控制對(duì)象。控制管路的空氣壓力在一定的范圍內(nèi)，即最高不超過氣壓管路和用氣設(shè)備的安全容限(一般為0.7MPa)，最低要滿足用氣設(shè)備的最低工作壓力要求(0.4MPa)。為滿足這一要求，空壓機(jī)中普遍采用兩種控制方法:（1）利用電動(dòng)機(jī)頻繁啟動(dòng)和停止來調(diào)節(jié)管路壓力。這種方法，首先設(shè)定管路壓力的上、下限。當(dāng)管路壓力上升達(dá)到設(shè)定上限時(shí)，電動(dòng)機(jī)斷電，空壓機(jī)停止運(yùn)行，管路壓力隨著現(xiàn)場(chǎng)用氣和管路泄露逐漸下降。當(dāng)壓力下降至設(shè)定下限時(shí)，電動(dòng)機(jī)得電，空壓機(jī)重新啟動(dòng)運(yùn)行，管路壓力又開始上升。如此周而復(fù)始。采用這種方式，管路壓力不停地在壓力上下限之間變化，控制簡(jiǎn)單，成本低，但電機(jī)啟動(dòng)頻繁，對(duì)電網(wǎng)的干擾較大，只適用于小功率電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。（2）利用空壓機(jī)的壓力氣閥控制。當(dāng)管路壓力達(dá)到設(shè)定壓力上限時(shí)，空壓機(jī)與儲(chǔ)氣罐聯(lián)接閥門關(guān)閉，空壓機(jī)處于空載運(yùn)行。當(dāng)管路壓力下降至設(shè)定下限時(shí)，空壓機(jī)與儲(chǔ)氣罐聯(lián)接的氣閥打開，空壓機(jī)輸出壓縮空氣，管路壓力上升。如此往復(fù)，整個(gè)運(yùn)行過程電動(dòng)機(jī)保持運(yùn)行，避免了頻繁起停，適用于大功率的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。目前，空壓機(jī)的運(yùn)行采用第二種方法控制的居多。這種方法不考慮電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行控制，對(duì)電動(dòng)機(jī)只須設(shè)計(jì)其啟動(dòng)控制。對(duì)于空壓機(jī)中的大功率電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，一般采用兩種方法，即線繞式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子串頻敏電阻方法和鼠籠異步電動(dòng)機(jī)的定子Y-轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方法。線繞式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的啟動(dòng)方式，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，而電機(jī)的啟動(dòng)電流沖擊仍然很大，同時(shí)轉(zhuǎn)子電刷機(jī)構(gòu)增加了電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。鼠籠異步電動(dòng)機(jī)定子Y-啟動(dòng)，即電機(jī)啟動(dòng)時(shí)定子接成Y形，電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)定子接成形，這樣可以降低啟動(dòng)電流，但也降低了啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，增加了相應(yīng)的啟動(dòng)裝置。總之，上述傳統(tǒng)控制方式存在的問題是明顯的：（1）管路空氣壓力波動(dòng)較大，管路壓力在設(shè)定上下限之間波動(dòng)，氣閥的故障率高；（2）空壓機(jī)頻繁加載、卸載造成電網(wǎng)電壓波動(dòng)大，以及損耗電量大；（3）空壓機(jī)總處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，造成空壓機(jī)的機(jī)械故障增多和空壓機(jī)的機(jī)體溫度升高；（4）空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲大，此噪聲一方面由空壓機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生，另一方面在空壓機(jī)氣閥動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生。針對(duì)以上存在的問題，采用PLC1和變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，節(jié)能效果顯著，實(shí)用性好。2PLC和變頻調(diào)速技術(shù)的簡(jiǎn)介2.1PLC控制系統(tǒng)特點(diǎn)和功能可編程序控制器（ProgrammableLogicController:簡(jiǎn)稱PLC）是一種在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用下而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算電子系統(tǒng)，他將計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，成為實(shí)現(xiàn)單機(jī)、車間、工廠自動(dòng)化的核心設(shè)備，具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、組合靈活、編程簡(jiǎn)單、維修方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，其控制功能由簡(jiǎn)單的邏輯控制、順序控制發(fā)展為復(fù)雜的連續(xù)控制和過程控制，成為自動(dòng)化領(lǐng)域的三大技術(shù)支柱（PLC、機(jī)器人、CAD/CAM）之一。其主要應(yīng)用的技術(shù)領(lǐng)域有：順序控制、過程控制、位置控制、生產(chǎn)過程的監(jiān)控和管理、信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。PLC用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中的大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等器件，使控制柜的設(shè)計(jì)、安裝、接線工作量大大減少。PLC的梯形圖程序一般采用順序控制的設(shè)計(jì)方法。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，梯形圖的設(shè)計(jì)時(shí)間比繼電接觸器系統(tǒng)電路圖的設(shè)計(jì)時(shí)間要少。PLC的用戶程序可以在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試，輸入信號(hào)用小開關(guān)來模擬，通過PLC上的發(fā)光二極管可觀察輸出信號(hào)的狀態(tài)。完成了系統(tǒng)安裝和接線后，在現(xiàn)場(chǎng)的統(tǒng)調(diào)過程中發(fā)現(xiàn)問題，一般通過修改程序就可以解決，系統(tǒng)的調(diào)試比繼電器系統(tǒng)容易得多。一個(gè)空壓機(jī)PLC系統(tǒng)由PLC系統(tǒng)硬件、PLC應(yīng)用程序、信號(hào)采集控制外圍設(shè)備等組成，有時(shí)雖然采用了最先進(jìn)的可靠性最高的PLC，但由于外圍設(shè)備不能匹配致使整個(gè)系統(tǒng)不能正常工作。例如在空壓機(jī)控制系統(tǒng)改造的過程中，如果信號(hào)電纜沒有屏蔽接地，傳入到PLC中的信號(hào)干擾嚴(yán)重，傳來的信號(hào)沒有利用的價(jià)值。如果所有信號(hào)線屏蔽層并聯(lián)并在控制室一端接地，就會(huì)收到了立竿見影的效果，信號(hào)穩(wěn)定無干擾。其實(shí)，以上問題是我們?cè)趦x表施工中很容易忽視的問題，因?yàn)楝F(xiàn)在大部分二次儀表的抗干擾能力較強(qiáng)，輕微干擾不易覺察，但是對(duì)于PLC這樣的工控設(shè)備來說，就必須嚴(yán)格按照儀表和工控機(jī)布線標(biāo)準(zhǔn)去施工。所以規(guī)范的施工布線、可靠的外圍設(shè)備和周密嚴(yán)謹(jǐn)?shù)某绦蜻壿嬍翘岣呖諌簷C(jī)控制系統(tǒng)可靠性的必要條件，提高空壓機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性必須從以上幾點(diǎn)抓起。PLC的主要功能：（1）在線數(shù)據(jù)采集和輸出；3（2）控制功能。包括順序控制、邏輯控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)等；（3）數(shù)據(jù)處理功能。既能進(jìn)行基木數(shù)學(xué)、邏輯運(yùn)算，還可通過編程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法；（4）輸入/輸出信號(hào)調(diào)制功能；（5）通信、聯(lián)網(wǎng)功能?？蛇M(jìn)行1：N的遠(yuǎn)程控制、多臺(tái)PLC間聯(lián)網(wǎng)通信、外部器件與PLC的信號(hào)處理，單機(jī)之間實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)交換等；（6）支持人機(jī)界面功能；（7）編程、調(diào)試等。2.2變頻器技術(shù)的特點(diǎn)變頻器技術(shù)2是一門綜合性的技術(shù)，它建立在控制技術(shù)、電子電力技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上。它與傳統(tǒng)的交流拖動(dòng)系統(tǒng)相比，它是利用變頻器對(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，有許多優(yōu)點(diǎn)，如節(jié)電、容易實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制、可以實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的高效連續(xù)調(diào)速控制、實(shí)現(xiàn)速度的精確控制。容易實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換，可以進(jìn)行高額度的起、停運(yùn)轉(zhuǎn)，可以進(jìn)行電氣制動(dòng)，可以對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行高速驅(qū)動(dòng)。完善的保護(hù)功能：變頻器保護(hù)功能很強(qiáng)，在運(yùn)行過程中能隨時(shí)檢測(cè)到各種故障，并顯示故障類別（如電網(wǎng)瞬時(shí)電壓降低，電網(wǎng)缺相，直流過電壓，功率模塊過熱，電機(jī)短路等），并立即封鎖輸出電壓。這種“自我保護(hù)”的功能，不僅保護(hù)了變頻器，還保護(hù)了電機(jī)不易損壞。2.3空壓機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)原理2.3.1螺桿空壓機(jī)的工作原理螺桿式空壓機(jī)3的工作原理圖如圖1所示，空氣經(jīng)空氣過濾器和吸氣調(diào)節(jié)閥而吸入，該調(diào)節(jié)閥主要用于調(diào)節(jié)氣缸、轉(zhuǎn)子及滑片形成的壓縮腔，陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子相對(duì)于氣缸作偏心方式運(yùn)轉(zhuǎn)?；惭b在轉(zhuǎn)子的槽中，并通過離心力將滑片推至圖1空氣壓縮機(jī)原理圖氣缸壁，高效的注油系統(tǒng)能夠確保壓縮機(jī)良好的冷卻及潤(rùn)滑油的最小耗量，在氣缸壁上形成的一層薄薄的油膜可以防止金屬部件之間直接接觸而造成磨損。經(jīng)壓縮后的空氣溫度較高，其中混有一定的油氣，經(jīng)油/氣分離器進(jìn)行分離之后，油氣經(jīng)過油冷卻器冷卻再經(jīng)過油過濾器流回儲(chǔ)油罐，空氣經(jīng)過油/氣分離器后流進(jìn)氣冷卻器（空氣冷卻裝置）進(jìn)行冷卻，然后進(jìn)入儲(chǔ)氣罐。2.3.2基于管路壓力控制的電動(dòng)機(jī)變頻控制原理螺桿式空壓機(jī)基本運(yùn)行方式為加載、減載方式。減載時(shí)電機(jī)空轉(zhuǎn)，能源白白地浪費(fèi)，利用變頻器改變電機(jī)供電頻率，來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即通過改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制空壓機(jī)單位時(shí)間的出風(fēng)量，從而達(dá)到控制管路的壓力，具有明顯的節(jié)能效果。與傳統(tǒng)的空壓機(jī)運(yùn)行控制管路壓力的方法不同，變頻控制方式是通過圖2變頻壓力控制原理圖圖3壓力變化示意圖控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速來控制空壓機(jī)的單位時(shí)間出風(fēng)量，從而達(dá)到控制管路壓力的目的。其系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。其控制過程是：通過壓力