空压机节能与监控、保护综合装置的研制

2020-11-22 14:09:29 1

1 概述

  【中国压缩机网】目前,国内厂矿企业大量运行的空气压缩机大都采用一般的继电器控制系统,不但其控制、监测和保护的技术水平低,而且低效运行耗能损失严重。由于风动工具用风量的不连续性和不均匀性,特别是中小型矿山仅采用两台甚至一台空压机正常运行时,经常造成长时间的空气压缩机全压空载无效运转,造成电能的大量浪费并加剧了设备的磨损,若经常起动和停止空压机,不但操作频繁,而且会影响风动工具的正常工作。
  近年来,虽有个别大型矿井采用了空压机自动控制以及微机控制技术措施,使空压机监测的落后局面有所改进。但都没能实现节能与综合控制和保护的机电一体化综合技术改造,尤其是大量中小型厂矿的空压机运行状况更是如此。
  因此,国内大量在线运行的空压机综合监控、保护技术水平低下,耗能严重的问题亟待解决,尽快研制开发出能对空压机集节能、监控、保护等功能于一体的智能型综合装置,成为重要的研究课题。
  “KJN-智能型空压机节能与监控、保护综合装置的研制”课题,于1997年6月开发完成样机试制,1997年8月投入工业性试验运行,经过一年多的试验,于1998年10月15日通过了由山东省煤炭工业管理局组织的技术鉴定。专家鉴定委员会一致认为:
  (1)该综合装置集节能、监控、保护等功能于一体,以单片微机为控制核心,具有全压运行与空载降压节能状态切换、起停控制和锁定控制、故障信息记忆、状态预切换等功能;可实时检测一、二级排气温度、排气压力、风包温度、压力、润滑油压及电机电流等实时参数;实现过温、过压、过流、断水等11项综合保护;解决了系统抗干扰、运行状态确认、冲击电流抑制等关键技术问题。
  (2)经运行试验,该装置软、硬件设计合理,功能齐全,性能良好,可靠性高,用户使用方便,节能效果明显。现场实际性能测试表明:空压机空载电流下降43.3%,空载时节电率达33.5%,空载能量损耗降低60.5%。对提高空压机运行的自动化水平和管理水平具有重要的现实意义。经查新,该综合装置属国内创新,其技术性能达到国内领先水平。

2 装置的组成及工作原理

  本装置由控制柜和监控仪两部分组成。控制柜与原控制柜联合使用,作空载节能控制运行。监控仪可以安装在机房控制室或者远离空压机房作远距离监控使用,系统的组成如图1所示。

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图1 综合装置构成框图

  为减少空压机空载运行时的能量损耗,控制柜采用降压技术,使空载时自动降压到额定电压的60%、空压机空载电流下降43%以上,达到节能效果。同时(用户可增选项)采用无功就地补偿技术提高功率因数到0.95以上。
  采用性能优良的单片微型计算机为核心构成监控仪。在监控软件控制下完成节能状态切换,起动与停机控制、运行参数检测及综合保护等全部功能。
  在一台监控仪上,同一软件实现不同功能的灵活组态,可由用户任选其中的几项功能或全部功能,可选择自动控制或锁定、有或无实时参数检测及关闭某一项,降压切换或解除,参数超上上限保护和超限接点开关量保护两种方式兼容,任选保护项目,以增加用户使用灵活性。
  实时参数超限保护方式由超上限(或下限)声光报警及超上上限(或下下限)故障停机保护构成,当检测的任一种实时参数超过其上限(或油压下限)时,监控仪将发出蜂鸣声响报警,发光管显示超限性质,并由数码显示器显示超限参数值;当检测的任一路实时参数超过其上上限(或下下限)时,将自动作用于故障停机由监控仪发出同上的声光报警,并记忆4次故障信息,由于停电不丢失该数据,为用户追忆分析故障提供了方便。

3 装置的主要功能与技术特点

3.1 空压机的空载节能运行功能与技术特点

  具有对空压机全压运行与空载降压运行状态的自动控制切换功能,使空压机的空载电流减少43%以上,总减少空载能量损耗60%左右,总直观节电率达到30%,较大地提高了电网的能量转换效率。具有明显的节能效果。

3.2 对空压机的控制功能与技术特点

  可以机房就地或值班控制室控制空压机系统的起动与停机。具有自动控制与锁定控制两种状态的切换功能。

3.3 运行参数的实时检测功能与技术特点

  具有对空压机的多种运行参数进行实时检测与显示功能,便于随时正确掌握各种运行状态,预测系统的运行趋势,提高系统运行的可靠性。
  实时检测的参数有:空压机的一级排气温度、二级排气温度、风包温度、润滑油温度;空压机的一级排气压力、二级排气压力、风包压力、润滑油压力;空压机的电动机工作电流等运行参数。

3.4 完善的综合保护功能与技术特点

  本装置具有一套完善的可被用户任意选项使用的综合保护功能。
  (1)被检测参数的超上限(油压下限)或超上上限(油压下下限)的保护。超上限时发出蜂鸣报警,超上上限时作用于自动停机并报警。
  (2)超限接点动作保护。可接入各种电接点仪表或继电器的超限动作的无源接点或有源接点实现超限保护。其类型包括一级温度、二级温度、风包温度、润滑油温度、冷却水断水、冷却水超温、一级排气压力、二级排气压力、风包压力、润滑油压力、电动机过电流等11种超限保护。
  (3)实时检测参数的保护和超限接点动作保护可兼容使用并可根据用户条件灵活选项使用。两类保护同时选用或选某一保护项目时,均具有同样的保护出口和显示。
  (4)可以设置长时空车运行限制功能。

3.5 实时日历时钟功能与技术特点

  实时日历钟可分别显示年、月、日、星期、时、分、秒,具有停电不停钟及人工校钟的功能。具有润年补偿功能,也可设置夏令时功能。

3.6 故障信息记忆和追忆功能与技术特点

  监控仪具有对发生参数超限及其它故障的日期、时间(时、分、秒)、故障类型、故障编号、故障参数值等信息进行存储记忆功能,并可事后追忆显示。便于值班人员进行事故记录和技术人员分析排除故障。

3.7 灵活的显示功能与技术特点

  监控仪面板装设16位LED数码管及16个LED指示灯,作为各种参数与状态的显示器。显示方式灵活多样,可在以下方式选择:① 日历时钟显示方式;② 温度电流显示方式;③ 压力显示方式;④ 定时交替显示方式;⑤ 故障追忆显示方式。

3.8 空载到全压的预切换功能与技术特点

  能够在线调整空载到全压预先切换的下限压力值。即在风包压力下降到气阀动作之前,提前将运行状态切换到额定电压下运行,以有效地减少切换时的冲击电流。

4 控制线路设计与监控仪的研制

4.1 控制线路设计

  节能控制柜控制线路设计的原则是充分利用原有的起动控制柜线路。主电路正常全压运行状态由原控制器件完成,降压运行状态由节能控制柜承担,新旧柜形成电路上的并行接线,空气开关仍利用原柜的空气开关,这样可以大大降低系统造价。
  在控制逻辑上将两柜的控制线路组合成一个整体控制方案。由于原控制柜只考虑主接触器和短接频敏变阻器的接触器之间的闭锁关系,而引入降压运行后,需要在断开主接触器时,仍保持频敏变阻接触器吸合。为此,必须在起动后使频敏变阻接触器常闭,同时主接触器与降压主回路接触器具有相互闭锁关系及使原保护部件对节能柜与原柜均具有保护作用。
  当节能柜在自动控制位置,两个控制柜均置于监控仪的监控下运行,监控仪的控制出口带载能力有限,在新柜中使用AC 36~220 V(可选)的JZ7中间继电器驱动接触器吸引线圈。为防止原控制柜和节能柜在形成一个整体电路后带来的相互影响或维护中的不便,节能柜上增设一个“自动控制/解除”主令转换开关。当其置于“自动”位时,两柜按新设计的动作规律协调控制。当置于“解除”位时,使其控制逻辑和操作方法同原柜完全一样。有效地解决了故障因素的相互影响问题,在新节能柜需要维修时,不影响空压机的正常运行。
  监控仪对系统实施控制时,状态切换的动作时间与状态的维持时间相比短得多,因而采用长时作用的控制信号是不明智的。一旦监控仪有丝毫的失灵或故障,就会危及系统的运行。采用自复位式控制出口方式,即沿用继电器控制时控制指令只在切换过程中短时起作用,进入维持阶段即使有短时的监控仪退出工作,系统仍能正常工作。从而对监控仪的要求大大降低,提高了系统的可靠性。

4.2 监控仪的研制

4.2.1 硬件研制

  监控仪以单片微计算机为核心进行扩展设计。硬件系统主要由单片微控制器与存储器、模数转换电路、控制输出电路、光电耦合电路、状态输入及保护输入电路、键盘显示器等电路组成。
  其组成框图如图2所示。仪器内部主要由主板和键盘显示板构成。

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图2 监控仪硬件组成框图

  (1)微处理器。Intel公司的MCS-51系列单片微机具有的特点是:8位CPU;片内振荡器频率达12 MHz,片内4 kROM和128字节RAM;可寻址空间64 k×2;21个SFR;32根I/O线;2个16位定时器/计数器;2个优先级、5个中断源;全双工串行口和较强的指令功能。从性能价格比等因素考虑,拟选用80C31单片机作控制核心。经锁存器形成地址总线、数据总线;扩展8 k程序存储器,8 k数据存储器。由于本系统外围扩展芯片较多,已超出了单片机的I/O口驱动能力,因此,三总线均经过74LS245驱动器予以驱动。
  (2)外围接口电路。选用可编程外围接口芯片组成键盘显示器接口电路和状态输入及保护输入接口电路。控制出口采用微继电器组成4个控制出口,控制数据信号路径为:锁存器→光电隔离器→反相驱动器→控制出口。
  (3)输入输出信号的传输与隔离。在设计信号传输方式时,充分考虑到仪器可以远距离安装的需要,从信号的传输和抗干扰的角度出发,采用电流传输,增加信号能量。输入电路可选为0~10 mA电流方式或0~5 V电压方式。
  采用光耦是硬件抗干扰的措施。本系统的外围设备均为高电压、大容量设备,如电动机、较大功率接触器等。既存在很强的电磁干扰,又有击穿绝缘的可能性。因此,所有输入输出电路全部经光耦隔离。由于输入信号与监控仪不共地,输入信号是通过光耦的光效应进入监控仪电路的,这样在电气上就把仪器与外部完全隔离开来,有效地防止外界干扰的串入。在控制输出电路则采用光耦和微继电器双重隔离措施。
  (4)实时时钟与非易失RAM电路。考虑到本仪器今后可作为下级监控机使用及现时功能的完善,设置了实时时钟。同时又考虑到系统需要非易失数据存储器,把二者结合在一起,主板上采用了DALLAS公司功能较完善的实时时钟芯片,该芯片的特点是在断电情况下运行10 a不丢失数据,计秒、分、时、日、星期、月、年,具有时间警报功能,有114个RAM单元与软件接口。这不但保证了时钟的准确性,减小了每次开机校钟的麻烦,更主要的是为软件中的故障信息记忆及在线调整参数的掉电保存功能提供了非易失RAM的硬件基础。由于该芯片的采用,避免了备用电池的出现和EEPROM的使用,使电路得到适当的简化。
  (5)模数转换电路。模拟量转换为数据量是参数检测的主要电路,选用了MAXIM公司z*新推出的12位A/D新产品,分辨率高,单一5 V电源供电,程序可选单双极性4种输入范围,自带八选一多路开关,内外时钟可选,转换时间仅6 μs等优点。
  (6)键盘显示器电路。由于本显示器显示方式及显示位数多,为减少I/O线数量,采用并行接口串行显示的方案,结合软件编程,仅占用了6根I/O线,实现16位数字显示。
  (7)资源余量。硬件设计不仅限于本仪器的现有功能,充分考虑到进一步扩展成全部空压机的分布式控制时,作为下位监控机使用,预留了分机地址设置和RS-485串行通信接口电路。只需更换程序存储器芯片就可作为一部完整的下位监控机使用。

4.2.2 软件设计

  软件采用C51与汇编语言混合编程,模块式结构。在软件设计过程中着重提高程序的质量和可靠性及抗干扰能力和数据采集精度。
  软件主要由初始化模块、显示模块、数据采集模块、综合保护模块、运行状态控制模块和程序监控器复位程序、实时日历时钟中断服务程序、数据处理及数字滤波等若干通用子程序组成。
  (1)软件的质量和可靠性。合理地提出各运算模型,绘制详细软件框图,使程序尽可能简洁,对各模块的入口参数、各模块使用的标志、各子程序的入口参数和使用的标志以及各种输入状态进行多重判断,甚至设立双重标志等方法,并做出相应的出错处理,以提高可靠性。
  (2)抗干扰能力。在各模块间、各子程序间以及各子程序重要的跳转处加入若干条空操作指令和一条转移指令,当CPU受微干扰时该措施可以自行调整CPU的PC,使程序迅速恢复正常工作,对外界强干扰则由程序监视器来校正软件的运行轨迹。采用程序监视器WATCHDOG,自动拉回飞跑的程序,采用多重标志及多重判断等都是提高软件抗干扰能力的有效措施。
  (3)数据采集精度。s*先对信号进行多次采集双重数字滤波滤除干扰成分,对超限和故障参数则进行延时的连续采集和多重确认。

5 对关键技术问题采取的措施

5.1 系统的抗干扰

  如前所述,本系统运行的电气环境较差,高电压、大电流、强电磁场等干扰是很严重的,更为不利的是本装置在状态控制的关键时刻正是各种开关动作而引起干扰加重的时刻。因此,为确保装置工作的高度可靠性,在抗干扰方面技术要求是很高的。为此,在有关的输入输出控制电路全部有效地采用了光耦隔离技术,输出电路采用了光耦和继电器双重隔离技术、数字滤波技术和程序监控器等抗干扰技术措施。同时,还在系统的合理接地、正确浮地、屏蔽、稳压电源、电缆敷设、以及主要器件附近的电容滤波等方面都采取了相应的有效措施,确保了装置和系统的可靠工作。

5.2 运行状态的确认

  正确控制的基础是正确的状态判断。仅仅解决干扰问题是不够的,这是由于在系统状态改变的过程中,会出现各种虽不属于干扰但会影响系统稳定运行的预想不到的情况。例如,人为地拉动调节阀杆使状态不稳;气阀调节不妥而漏气;手动关阀与行程开关超行程配合不当或配合关系的改变;空载到降压时刻外线路的强行切除等因素。若处理不好,都会使系统判断错误或导致频繁的来回切换。对此类问题均采取了与之相对应的软硬件措施,如记忆可能的历史状态、设立重进标志或禁止重进标志、适当延时等方法。使各种随机异常情况都处在装置的正确监控之下。

5.3 冲击电流的抑制

  系统状态的改变,必然导致电流的突变。在常规线路控制时由于系统是在重负荷下进行的切换,其冲击电流很大,相当于起动电流的数量级。为了有效地抑制该冲击电流,采取检测压力与气阀动作压力相比较,压气时由微处理机控制提前预切换;空载时待负荷全部切除速度相应提高后延时切换的技术方案,使冲击电流得到了十分有效的抑制,仅比正常电流稍大一点。

5.4 接点可靠性处理

  由于电工器材的质量原因,辅助接点接触不良是经常发生的问题,尤其在直流监测回路电压较低,克服不了接点的缺陷。对此也进行了必要的技术处理。

6 结语

  随着煤矿对自动化的要求不断提高,空压机节能运行和自动化实时监控也势在必行。由于该装置功能多,且可灵活选用,为用户使用带来了极大方便,因此,其推广应用前景广阔。

 

来源:网络

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