基于PLC变频调速的空压机控制原理与节能研究

基于PLC变频调速的空压机控制原理与节能研究

王耀远

中航西安飞机工业集团股份有限公司  陕西省西安市    710089

摘要：本文探讨了基于PLC变频调速的空压机控制原理与节能原理，阐述了PLC与变频调速技术结合在空压机控制中的应用，分析了基于PLC变频调速控制方式在提高空压机运行效率和降低能耗方面的显著优势，为空压机的智能化控制和节能优化提供了重要的理论与实践参考。

关键词：PLC；变频调速；空压机；控制原理；节能

引言：随着工业自动化的不断发展，空压机作为重要的动力源，在众多领域有着广泛的应用。然而，传统的空压机控制方式往往存在能源浪费、运行不稳定等问题。在节能减排的大背景下，寻求更加高效、智能的空压机控制方法成为当务之急。PLC技术的成熟以及变频调速技术的发展，为空压机的优化控制提供了新的思路。通过将两者相结合，能够实现对空压机的精确调控，不仅可以提升其性能，还能大幅降低能源消耗。因此，开展基于PLC变频调速的空压机控制原理与节能研究具有重要的现实意义。

1.基于PLC变频调速的空压机控制原理

1.1控制系统总体方案

在空压机变频调速控制系统中，其结构组成部分包括PLC控制环、变频器、空气压缩机和储气罐等。对于储气罐的运用，能够对空压机产生的压缩空气进行存储，将其作为动力源供气动系统和相关气动驱动设备使用。将气压传感器元件装设在储气罐当中，可以针对油箱的压力值实时监测，并保障反馈及时，为PLC逻辑处理器提供参考，有效加强对空压机的控制。

在应用空气压缩机的过程中，经过过滤器过滤后的纯空气通过电机的多次运行，能够对空气进行压缩，利用气体管道将其输送至储气罐，便于对压缩气体的保存。作为控制系统中的关键元器件，运用PLC控制器的过程中，通过对储气罐压力反馈信息的接收，经过程序当中的逻辑处理模块，对变频器输出频率的改变，空压机的电机受到变频电流的作用，促使压缩机电机的转速发生变化，在对压缩机压缩空气产生影响后，通过对空压机产生的压力值进行控制，从而达到调节压力的作用。

通过分析PLC空气压缩机压力变频调速控制系统的工作原理，传感器中的电信号由PLC接收，通过与程序中设定的压力值信号做出对比判断，实际所产生的数值差距在PID的作用下，随着控制信号的产生，可以对控制变频器输出频率进行调整，确保压缩电机转动速度调整之后更加合理。在压缩空气压缩机输出压力值时，为该类数值的调整提供便利，最终确保压缩空气的压力值能够与设定的压力值保持接近。

1.2硬件组成

1.2.1PLC选型

在国内工业控制领域中，西门子、三菱、ABB等PLC品牌的应用比较广泛。例如，相关西门子PLC应用案例有着更多的可参考资源，其中具备工业以太网通信接口，所以数据处理能力相对较强。以西门子SIMATICS7-1200型PLC为例，具有紧凑性和模块化的特点，可以完成简单、高级等逻辑控制操作，并且具备清晰的人机界面、有线网络通信等任务模式。

1.2.2变频器原理及选型

1.2.2.1变频器的构成

整流脉冲、滚动波、逆变器和相关控制回路等属于PLC变频器的基本结构。引脚的功率作为变频器当中的输出功率，需要经过整流电路、滤波电路和逆变电路变成直接功率的形式作用于储能元件当中，能够实现对能量的存储。利用控制回路针对变频器的正常导通或者切断状态进行控制，在产生变频电源之后为电机的运行带来驱动作用[1]。

1.2.2.2变频器选型

以西门子G120CPN变频器为例，可以使用PROFINET的总线功能，使其能够直接与S7-1214PLC进行通信，总体性价比相对较高。在PID调控过程中，还可以与S7-1212PLC相配合。

1.2.3传感器的选型

按照接收规定，在测量过程中运用传感器元件，可以遵循一定的关系，确保所转换得到的信号具备可输出的特性。对于该类元器件或者元件装置产品，其主要构成部分包括敏感类元件和转换类元件。结合现场实际测量需求，在对储气罐的气体压力进行测量时，对压力信号的范围具备明确的要求，使其保持在0～1MPa之间，且精确度需要超过0.5%。

例如GPT压力变送器，具有很好的测试特性，是由316不锈钢膜片构成的，对被测试的介质起到了很好的作用，可以判断其具体类型。如，腐蚀性蒸汽、腐蚀性液体、气体等。在测量过程中，数值范围保持在20KPa～20MPa之间，且测量精确度分别为0.1%、0.25%和0.5%。该类变送器传感器的过压范围高达3倍，在输出信号时处于DC/0～10V之间，并且能够与PLC直接连接，将变频器作为基础完成输入、输出等操作。

1.3软件设计思路与流程

利用STEP7软件对PLC进行编程，并以西门子公司生产的S7-1200系列PLC作为实例，说明该系统的性能和应用前景。对系统运行状况进行监测。此外，还可以在脱机状态下，便于对函数图表和语句表格进行编程与调试。在系统当中，通过PLC程序能够对变频器的启动、停止控制进行执行，并且能够在执行各台空压机的过程中，对其中的运行参数进行监控。

在检测期间，通过判断空压机当中的参数在超过上限或者下限时，此时的PLC程序中会发出声光报警信号。在加强对中间继电器的控制时，迫使相应的空气压缩机顺利停机，从而能够发挥保护作用。结合给定的信号，运用变频器进一步分析压力的反馈信号，在对电机的运转加强控制，确保出口的压力能够保持恒定。

2.基于PLC变频调速的空压机节能原理分析

2.1变频调速实现节能的原理

多数螺杆式空压机在运行过程中通常会采用加载或者减载的方式。在变频控制期间，通过对电动机转速的改变，在单位时间之内能够实现对空压机出风量的有效控制，确保管路压力控制的时效性。利用压力传感器对管道内的压力进行测量，并将其与设定的压力进行比较，得出对应的误差。

当变频器对感应电机起作用时，其输出的频率值，可以运用PID调节器进行计算。当变频器输出对应的频率后，再与交流电压相结合，可以获得电机对应的速度，当压缩机输出的压缩空气达到储气罐时，随着压力的变化，使管网的压力能够与给定压力值保持相同[2]。

2.2节能注意事项

由于空气压缩机是一种大惯性负荷，它的起动特性很可能会导致变频器在起动过程中产生过电流保护，因此，应选用具有较高起动力矩的无速度矢量变频器，这样才能保证连续的恒压供应，并保证设备的稳定、可靠。

压缩机不能长期处于低频率运转，因为低转速不仅会影响压缩机的稳定，而且会影响气缸的润滑性能，加速磨损，因此，工作频率不应低于20Hz。为保证压缩机在起动过程中不会频繁跳闸，所选择的变频器的功率应大于压缩机的功率。

为有效地滤除变频器输出电流中的高次谐波成分，减少由高次谐波引起的电磁干扰，在电动机中安装输出交流电抗器，可降低噪声，改善电动机稳定性。为了确保在变频器发生非正常跳跃时，不影响正常的生产，必须具有频率转换和频率转换两种控制回路。

结束语：基于PLC变频调速的空压机控制展现出了强大的优势和潜力，通过研究其控制原理和节能效果，为空压机领域的发展带来了新的突破，取得显著的节能成果，为企业带来可观的经济效益和环境效益，为工业生产的高效、绿色发展提供有力支持。

参考文献：

[1]廖子庭,潘荣果.基于PLC变频调速的空压机控制原理与节能研究[J].节能,2022,(06):3-4.

[2]张晓冬.基于PLC变频调速的空压机控制原理与节能分析[J].2020.