應用PLC變頻控制的乙炔壓縮機

1 引言
PLC和變頻調速技術以其獨特優良的控制性被廣泛應用在機械、冶金、制造、化工、紡織等領域，但在乙炔壓縮機上應用國內還是首次。乙炔壓縮機是以電石為原料生產溶解乙炔的主要生產設備，主要用于乙炔氣灌瓶，氣灌瓶對金屬切割工藝提供高效便利的動力。乙炔氣灌裝時，所處壓力會逐漸升高，當灌裝達到后期，由于壓力升高，乙炔氣會因高溫而分解并放出大量的熱，易導致爆炸。為使乙炔氣在丙酮溶劑內充分溶解，保持乙炔氣的穩定，不能超過一定的速度，因此當乙炔瓶的數量變化時，就涉及一個氣量調節的問題，以往曾采用改變電機的極數來調節，近年來PLC和變頻控制迅猛發展，可編程控制器和變頻器質量穩定，調節直觀方便，為乙炔壓縮機的安全可靠性提供了更加可靠的工業控制設備。江西氣體壓縮機有限公司為滿足用戶不同工況下的應用需求，率先開發了在乙炔壓縮機上應用PLC(西門子公司的LOGO！可編程控制器)和變頻調速(艾墨森生產的變頻器)技術，對溫度、速度、流量、壓力等工藝變量進行控制，取得了良好的性能效果和經濟效益，該項目為2005年度江西省科技成果和科技部科技型中小企業技術創新基金立項。

2 控制系統構成
江西氣體壓縮機有限公司生產的變頻乙炔壓縮機［如2Z-1.5/25型變頻乙炔壓縮機，拖動電機采用了YB225M-8隔爆型(dIICT4)三相異步電動機，變頻器為EV2000-4T0300G[1]］，控制系統有可編程控制及變頻控制電路，由頻率給定電路、空氣開關、交流接觸器組、頻率選擇開關、壓力信號輸入電路、隔離式安全柵、故障報警電路、電源電路、油泵電機驅動電路和壓縮機主電機驅動電路等組成，頻率給定電路又由可編程控制器和變頻器構成。有關電儀原理如圖1所示:

圖1 電儀原理框圖

3 控制原理及功能實現
3.1 變頻控制電路
變頻控制電路由頻率給定電路和變頻器啟動停止電路組成。
(1) 頻率給定電路由可編程控制器LOGO、頻率選擇開關SA2、中間繼電器KA7～12、及指示燈HL8～13組成(見圖2)。用戶可根據實際用氣量來選擇不同的排氣量，比如將頻率選擇開關SA2旋至“50%排氣量”時，中間繼電器KA7得電動作，相應的指示燈HL8被點亮，同時中間繼電器KA7的常開輔助觸點閉合，輸出至可編程控制器LOGO的輸入端I1(見圖3)，可編程控制器LOGO內部已編好程序，通過可編程控制器LOGO的輸出端Q1、Q2、Q3輸出開關量至變頻器的多段速輸入端，再對變頻器進行頻率設定為25Hz，使之對應于“50%排氣量”時的轉速。同樣，不同檔位的頻率選擇，輸出至可編程控制器LOGO的I1～I6輸入端，就會輸出不同的Q1～Q3狀態，對變頻器多段頻率進行設定(50%、60%、70%、80%、90%、100%)，使之對應于不同排氣量時的頻率，乙炔壓縮機達到不同轉速運行的需求。

圖2 速度給定與指示梯形圖[2]

圖3 LOGO可編程控制器示意圖

(2) 變頻器啟動停止電路參見圖4，由啟動按鈕SB2、停止按鈕SB1、中間繼電器KA13的常開輔助觸點11、11a端子及交流接觸器KM1線圈組成，控制變頻器的上電，只有當乙炔壓縮機潤滑油壓力建立后，即中間繼電器KA13的輔助觸點11、11a端子閉合后，交流接觸器KM1才會動作。

圖4 變頻器啟動停止電路示意圖

3.2 壓力信號輸入電路
壓力信號輸入電路由潤滑油壓力、進氣壓力和排氣壓力信號輸入電路組成(見圖5)。

圖5 壓力信號輸入電路與工藝保護電路梯形圖速度給定與指示梯形圖[2]

(1) 潤滑油壓力信號輸入電路(見圖6)，由壓力控制器SP2(控制油壓)輸出一開關量，由A1、A2接線端子接入隔離式安全柵GL1的輸入端9、10腳，由隔離式安全柵GL1的輸出端5、6腳輸出給工藝故障報警電路的3、29端，當潤滑油壓力低于整定值時，由故障報警電路輸出停機命令給工藝故障綜合中間繼電器KA6(見圖5)使中間繼電器KA1(見圖4)斷開，變頻器的FWD和COM輸入端無運轉信號輸入(見圖9)，使變頻器停止工作，乙炔壓縮機停止運行。

圖6 排氣壓力信號輸入隔離式安全柵GL1電路

(2) 排氣壓力信號輸入電路(見圖6)，由電接點氨壓表SP3(控制排氣壓力)輸出一開關量，由A3、A4接線端子接入隔離式安全柵GL1的輸入端11、12腳，由隔離式安全柵GL1的輸出端7、8腳輸出給工藝故障報警電路的3、33端，當排氣壓力高于整定值時，由工藝故障報警電路輸出停機命令給工藝故障綜合中間繼電器KA6(見圖5)使中間繼電器KA1(見圖4)斷開，變頻器的FWD和COM輸入端無運轉信號輸入(見圖9)，使變頻器停止工作，乙炔壓縮機停止運行。
(3) 進氣壓力信號輸入電路(見圖7)，由電接點氨壓表SP1(控制進氣壓力)輸出一開關量，由A5、A6接線端子接入隔離式安全柵GL2的輸入端9、10腳，由隔離式安全柵GL2的輸出端5、6腳輸出給工藝故障報警電路的3、27端，當進氣壓力低于整定值時，由工藝故障報警電路輸出停機命令給工藝故障綜合中間繼電器KA6(見圖5)使中間繼電器KA1(見圖4)斷開，變頻器的FWD和COM輸入端無運轉信號輸入(見圖9)，使變頻器停止工作，乙炔壓縮機停止運行。

圖7 隔離式安全柵接線示意圖

3.3 電源電路
電源電路(見圖6)由隔離變壓器、壓敏電阻RV、熔斷器FU、開關式穩壓電源DY和穩壓二極管VD組成，電源電路輸出+24V電壓，供給壓力信號輸入電路中的安全式隔離柵GL1和GL2，作為安全式隔離柵GL1和GL2的工作電源。
3.4 油泵電機驅動電路
油泵電機驅動電路(見圖8)，由啟動按鈕SB3、停止按鈕SB4、熱繼電器FR的常閉輔助觸點2、4端子及交流接觸器KM2線圈組成，控制油泵電機的啟停。當油泵電機過載時，熱繼電器FR動作，油泵電機M2停止運轉(見圖9)。

圖8 油泵電機與壓縮機主電機驅動電路梯形圖[2]

圖9 油泵電機與壓縮機主電機驅動電路示意圖

3.5 壓縮機主電機驅動電路
壓縮機主電機驅動(見圖8)，電路由啟動按鈕SB5、停止按鈕SB6、交流接觸器KM2的常開輔助觸點21、23端子、工藝故障綜合中間繼電器KA6的常閉輔助觸點23、25端子、熱繼電器FR的常閉輔助觸點2、4端子及中間繼電器KA1線圈組成，控制壓縮機主電機M1的啟停(見圖9)。只有當油泵電機M2啟動且油壓建立后，壓縮機主電機M1才允許啟動，運行中若出現工藝故障或油泵電機M2過載，均能使壓縮機主電機M1停止運行。

4 結束語
變頻乙炔壓縮機可以根據所需用，通過手動或者編程控制實現排氣量的連續變化或分級輸出，組合出多種方式(主要有50%、60%、70%、80%、90%、100%六檔)，根據實驗測得頻率給定值與排氣量近乎成正比關系。從而實現了一臺代替多臺壓縮機的作用，滿足不同工況下的應用需求，節約成本，提高了效益。同時還具有很好的性價比、操作方便、轉速穩定性好、調速范圍廣等優點，因此變頻調速方式擁有廣闊的發展前景。
PLC和變頻調速在乙炔壓縮機上的應用，解決了乙炔氣灌裝時存在的安全隱患，編程控制會自動檢測乙炔氣的壓力和溫度，當達到設定指標時，機器自動降低灌氣量，施行安全灌氣，一旦乙炔氣溫度超限，機器會自動報警停機，使充氣的安全性大大提高。