王京宣
上海复盛埃尔曼机电有限公司
摘要：本文主要从空压机的运行、控制入手，对矿山用空压机的结构及原理进行介绍。对空压缩机采用传统继电器控制方式与采用可编程控制器（PLC)控制方式进行分别介绍并比较，分析探讨PLC控制矿山用电动空压机的优势。
关键词：空压机;可编程控制器（PLC）
引言：电动螺杆空压机是一种利用电机带动螺杆压缩机将空气进行压缩产生具有一定压力的气体的设备。空压机在矿山、机械制造、石化等很多行业得到了广泛的应用。可编程控制器（PLC)是一种通用控制装置，它集计算机、通信、控制等技术于一身，具有编程简单、功能强大、使用方便、体积小、功耗低等优点。随着科技飞速发展，其稳定性、适应性也得到了很大的提高，目前国民经济的各个控制领域已广泛应用。本文分析探讨矿山用螺杆空压机采用PLC控制替代传统继电器电路控制的优势。
1.矿山用空压机工作过程及功能简介
空压机是矿山生产重要设备之一，它制造的压缩空气，带动凿岩机等风动工具工作。空压机的稳定性、安全性、操作及维护的便利性等直接影响矿山的安全、产量和效益。以下从空压机的基本功能入手，对其工作过程及结构进行简单介绍。
图1 螺杆空压机系统流程图
如图1所示，工作时空气经空气滤清器过滤后，通过进气阀进入压缩机进行压缩。压缩过程与润滑油混合。油气混合物从出气口喷出，被送入油气筒。油气混合物在油气筒内进行分离，分离后的气体通过最小压力阀、供气阀，被送入用气系统。分离出的大部分润滑油沉积在油气筒底部，通过管路经温控阀、油冷却器、油过滤器后回到压缩机。小部分润滑油沉积在油细分离器底部，通过二次回油管路回到压缩机。
1. 传统电路控制的空压机具备的基本功能
1.1 开机
图2 螺杆空压机传统电器控制电路图
目前矿山用电动空压机基本上都是采用普通的三相异步电动机作为动力源。主电机（带动压缩机转动的电机）一般都在75kW以上，一般都是采用Y-Δ启动。Y-Δ启动是降压启动，是最经济、最简单、最常用的启动方式。传统电器控制见图2。主电机接触器KM1设计有自锁，KM2、KM3间设计有机械互锁。合上空气开关，按下开机按钮SB1，KM1、KM3得电，主电机实现星型运行。同时时间继电器KT1得电开始计时，达到设定的时间，KT1触点断开，KM3失电，同时KM2得电，电机转换成三角型运行。冷却风机电机的功率一般不超过5kW。风机电机的接触器KM4、KM5在KM1得电时得电，风扇电机直接启动。
1.2 加载
螺杆空压机不工作时，压缩腔内会积聚很多润滑油。在常温时润滑油粘度较大，启动压缩机的扭矩比正常运转时更大。而主电机为Y-Δ启动，启动扭矩比正常运转时小很多，电流却是额定电流的几倍。减少压缩的空气量可以减小压缩机扭矩，有利于主电机的启动。进气阀安装在压缩机进气口前端。自然状态，进气阀阀芯在小的弹簧推力作用下将进气口关闭。进气阀具有控制腔，安装有控制管路和一条带节流阀的卸放管路。
传统电器控制中设计有加载控制管路，此管路可以将油气筒内的高压气体引入进气阀的控制腔。加载控制管路上配置常开型加载电磁阀V2。从按下按钮SB1开始，加载电磁阀V2一直未得电，加载控制管路处于通路。压缩机产生的有压气体从油气筒经此通路进入进气阀的控制腔，将进气阀关闭。实现主电机的空载启动。时间继电器KT2在接触器KM2得电时得电，开始计时。达到设定时间，KT2动作，加载电磁阀V2得电，将加载控制管路断开。进气阀打开，大量空气吸进压缩机，实现加载。
1.3 压力、气量调节
大多矿山用气设备的用气量波动性很大。系统压力（供气压力）也随着用气量的变化而波动。矿山用压缩机是三相异步电动机驱动的，转速基本恒定，一旦开机就长时间连续运转。当用气设备用气量小于压缩机制造出的气量时，供气系统的压力就不断升高。压力过高会对空压机及用力设备造成破坏，压力过低空压机及用气设备也不能正常工作。所以设计有压力、气量调节管路。通过控制进气阀的开、闭来实现。在调节管路上设置有容调阀，容调阀阀芯在弹簧压力作用下将容调阀关闭。油气筒内的压力气体作用于容调阀的阀芯上，与弹簧的压力方向相反。当油气筒压力高于容调阀设定的开启压力时，容调阀芯开启，调节管路开通。油气筒内的压力气体经此管路进入进气阀的控制腔，进气阀关闭。进入压缩机的空气迅速减少，系统压力就不会进一步升高。随着系统气量的使用，压力不断下降。当压力低于系统设定值时，容调阀又将进气阀控制管路关闭，进气阀重新打开。如此实现对系统压力和气量的调节。
1.4 卸放
当容调阀开启，进气阀关闭时，如果压缩机吸气端没有充足的空气补充，吸气端的负压将越来越大。负压过大将损坏压缩机结构，甚至引起机体开裂。此时正是系统压力高于设计要求的时候，也需要尽快降下来。就设计了卸放管路，管路上设置卸放阀。当容调阀开启的同时，卸放阀打开，油气筒内的压力气体通过卸放管路进入压缩机吸气端，起到减小吸气端的负压值和降低系统压力的目的。
1.5 停机泄放
润滑油在空压机中不停循环，起着润滑、冷却、密封等作用。润滑油总是从高压向低压流动。压差越大，流量就越大。油气筒与压缩机吸气端间的压力差不能小于某一要求值。正常情况下压缩机吸气端的压力比大气压稍低，且变化不大。这就要求油气筒内的压力不能低于某一要求值。油气筒上设置有最小压力阀，只有油气筒内的气体压力大于最小压力阀的开启压力，才能通过最小压力阀进入用气系统。
因最小压力阀的存在，空压机停机后，油气筒及一些管路中还存在着高压气体。如果此时拆卸油气筒加油口盖或其他带压管路时，高压气体会将加油口盖或其他管路件吹飞，极易造成人身伤亡和机器损坏事故。且压缩机出气口处于高压，螺杆转动需要更大的转矩，启动将特别困难，会造成主电机的过载损坏。就设计了停机泄放管路。在泄放管路上设置常开泄放电磁阀V1，随着KM2失电而失电，停机泄放管路打开，高压气体通过此管路泄放到大气中。
1.6 保护功能
一般空压机的保护功能有异常高温停机、过载停机、相序错误无法启动等。
1.6.1 异常高温停机
异常高温分为压缩机排气异常高温和电机异常高温。在压缩空气时产生大量的热量，润滑油、压缩空气的温度会迅速升高。温度过高，使得润滑油、橡胶密封圈等加速老化，寿命减短。压缩机排出的油气混合物中含有氧气，如果达到润滑油的自燃点就会发生自燃。一旦发生自燃，油气筒及管路内的压力会极速上升，有发生爆炸的危险。为了将热量尽快散发出去，配置了冷却器和冷却风机，将热量散发到大气中。
润滑油及压缩空气的温度也不能太低。一般空气中含有一定量的水分，湿度相同，空气的露点温度随压力的升高而升高。温度低于压缩空气的露点温度就有水分析出。析出的水分会促使润滑油变质乳化，运动粘度降低，油膜变薄，导致螺杆啮合面、轴承等运动部位破坏。析出的水分还引起部件、管道的腐蚀、锈蚀,产生沉积，堵塞油路。
在润滑油的循环管路上安装有温控阀。温控阀的阀芯能够根据温度的变化而伸长或变短，调节通过和不通过冷却器的润滑油比例。润滑油温高，通过冷却器的润滑油比例就大，甚至全部通过冷却器。润滑油温低，通过冷却器的润滑油比例就小，甚至全部不通过冷却器。
有了温控阀，正常情况下是不会出现异常高温的。但在环境异常高温、冷却器堵塞、冷却风机损坏、润滑油过少、温控阀损坏等情况下还是会出现异常高温。为了避免异常高温对空压机的伤害，设置探测油气混合物温度的温度开关。在探测的温度达到设定温度前，其内部线路是断开状态。当温度达到或超过设定温度时，其成闭合状态。温度开关内部线路的闭合使得常闭型中间继电器KA4得电。KA4得电引起主控电路断路，主电机及冷却风扇电机的接触器随之失电，停止运转。
主电机安装探测主电机绕组温度的温度保护器继电器F4。电机异常高温→F4失电，常开触点断开→中间继电器KA6失电，常开触点断开→空压机主控电路断路→主电机及冷却风扇电机接触器失电，实现停机。
1.6.2 过载停机
电机的过载会引起电机绕组电流超过额定值，产生的热量迅速增加，温度不断升高。当温度超过绕组正常使用的上限值时，绕组就损坏，电机就不能正常运转。如图2所示，主电机配置常闭热继电器F1，风扇电机配置的常闭热继电器F2。当任一电机电流超过其额定值，继电器就会动作，使控制电路断开，主电机及冷却风扇电机停止运转。一般整机的主电路及控制电路还配置有保险盒（熔断器），当主电路或控制电路的电流大于保险丝的最大额定值时，保险丝就会熔断，从而将电源断开，起到保护作用。
1.6.3 相序错误无法启动
螺杆压缩机因结构原因，只允许一个方向转动。如果转动方向错误，不但不能产生需要的压力气体，还会对压缩机产生很大的伤害。三相异步电机的转向因接入电源三根相线的相序不同而不同。接线人员无法判断所接相序是否正确。在电机电源线上安装相序保护器F3。当接线相序错误时，相序保护器F3将控制电路断开，空压机将无法启动。就要调整电源的接线相序。
2. 控制器（PLC）在空压机上的应用
随着矿山现代化的不断发展，矿山设备的要求也越来越高。建设安全、绿色环保的矿山已成为矿山建设的核心。继电器搭成的传统控制电路已不能满足可靠性、易操作性、可监视性、易维护性等基本需求。PLC控制方式能够满足矿山设备以上的需求。采用性能更高、价格合理的控制器代替传统继电器搭成的电路控制成为趋势。
2.1 PLC控制如何实现空压机的基本功能
图3 螺杆空压机控制器（PLC）控制电路图
2.1.1 开机
如图3所示，主电机的星/三角转换启动功能是通过PLC控制主接触器KM1、KM2、KM3实现的。按下PLC上的启动按钮， PLC发出让KM1、KM3得电动作的指令，主电机实现星形运行。经过设定的时间后，控制器发出让KM3失电的指令。KM3断开的同时KM2得电，电机转换成三角型运行。
2.1.2 加载
空压机的加载还是通过加载电磁阀来完成的，只不过加载电磁阀的通、断电指令是由PLC发出的。此处不再累述。
2.1.3 压力、气量调节
设置有测量油气筒、供气管路内压力的压力传感器，将压力信息连续不断的转换为电信号传送给PLC。经PLC转换、识别并与我们预先输入的压力值进行比较运算，作出是否打开压力、气量调节管路上的电磁阀（两位两通的常闭）的指令。调节原理同上面讲的1.3压力、气量调节方式。
2.1.4 卸放
与同上面讲的1.4卸放一样，有一条将油气筒的高压气体向压缩机吸气口卸放的管路。只不过是将传统的卸放阀换成了电磁阀。PLC通过对测量油气筒、供气管路及压缩机吸气口内压力的传感器信号进行逻辑处理，发出是否打开电磁阀的指令。
2.1.5 停机泄放
同1.5停机泄放结构一样，区别是停机泄放管路上的电磁阀的打开、关闭指令是PLC发出的。
2.1.6 保护功能
2.1.6.1 高温停机
安装探测压缩机排气口温度的温度传感器，将温度信息传递给PLC。当温度达到或超过设计值时， PLC发出停机指令，实现排气高温停机保护。安装探测电机内部绕组温度的温度传感器，将信息传递给经PLC。当绕组温度高于要求值时，PLC发出停机的指令，实现高温停机保护。
2.1.6.2 过载停机
在主电机的电源各相线都安装有互感器。互感器将各相线的电流信息时刻传递给PLC。各相线的电流信息不但可以实时在控制器的显示屏上显示，同时还与预先输入控制器的电机额定电流值进行比较，当测得的电流值大于主电机额定电流值时，PLC就发出停机指令，实现对空压机的保护。
2.1.6.3 相序错误无法启动
PLC接收电源的三相线信息，判断相序是否满足电机转向要求。如与设定不符，空压机将无法启动。
2.2 PLC还具有的其他功能
2.2.1 显示功能
显示当前时间、运行时间、压力、温度、电流、电压、历史信息等。
2.2.2 控制功能
除具有开机、关机、故障停机、加载、卸载功能外，还可实现节能功能。根据探测循环润滑油不同部位的温度和其他参数，PLC可以发出是否开启冷却风扇电机的指令，实现节能的目的。
2.2.3 报警功能
具有系统排气温度过高、电机轴承温度过高、保养配件超期（空气滤清器、油细分离器、油过滤器、润滑油等）、传感器异常（温度、压力传感器等）、油气分离器堵塞、空气滤清器堵塞等报警功能。只是通过报警指示灯报警，并不会强制停机。空压机突然停机会对用气设备造成损害。通过查询控制器显示屏上的异常信息，操作人员判断是否要马上处理。有些可以停机后再处理，有些可以在一段时间内处理。
2.2.4 保护停机功能
除具有系统异常高温、电机异常高温、过载保护、电源相序错误保护停机外，还具有系统压力过高、电源缺相、相不平衡过大、传感器故障等保护停机功能。
2.2.5 数据存储功能物联网功能
这个是传统继电器控制电路所没有的。空压机的运行时间、压力、温度、电流、电压等信息，不但可以实时监控，还对这些信息进行存储。可以随时调出查看分析，了解空压机运行状况，为更好的使用和维护提供数据支撑。物联网功能是现代科技发展的一个趋势。PLC内空压机运行的各种信息数据可以实时传递到网上，通过网络不但能了解空压机的实时状态，也可以对空压机进行操作。矿山用空压机的位置经常变动，通过安装定位装置，连接PLC，接入网络，可以实现对空压机的定位。
结束语：以上是可编程控制器（PLC）控制在空压机上应用的探索，随着科技不断进步，为了满足人们对产品稳定性、安全性、便利性等越来越高的要求，会有越来越先进的技术运用在空压机上。同时PLC技术也是日新月异，PLC控制在空压机上的应用会越来越深入和广泛。
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