西门子6ES7253-1AA22-0XA0详细资料
1 引 言
空气压缩机是一种利用电动机将气体在压缩腔内进行压缩并使压缩的气体具有一定压力的设备。作为基础工业装备，空压机在冶金、机械制造、矿山、电力、纺织、石化、轻纺等几乎所有的工业行业都有广泛的应用。空压机占大型工业设备（风机、水泵、锅炉、空压机等）耗电量的15%。由于结构原理的原因，大部分空压机自身存在着明显的技术弱点。当输出压力大于一定值时，自动打开泄载阀，使异步电动机空转，严重浪费能源；异步电动机易频繁的启动、停止，影响电机的使用寿命，压机工频启动电流大，对电网冲击大，电机轴承磨损大，设备维护量大；工作条件恶劣，噪音大；自动化程度低，输出压力的调节是靠人为调节阀的开度来实现的，调节速度慢，波动大，不稳定，精度低。
针对以上存在的问题，设计采用PLC和变频器实现对螺杆式空气压缩机的节能改造方案，经分析，该方案自动化程度高，节能效果显著，实用性好。
2 空压机变频改造原理
2.1 空压机的工作原理
螺杆式空压机的工作原理图如图1所示，空
气经空气过滤器和吸气调节阀而吸入，该调节阀主要用于调节气缸、转子及滑片形成的压缩腔，阴、阳转子旋转相对于气缸里偏心方式运转。滑片安装在转子的槽中，并通过离心力将滑片推至气缸壁，高效的注油系统能够确保压缩机良好的冷却及润滑油的小舒适耗量，在气缸壁上形成的一层薄薄的油膜可以防止金属部件之间直接接触而造成磨损。经压缩后的空气温度较高，其中混有一定的油气，经过油气分离器进行分离，之后，油气经过油冷却器冷却在经过油过滤器流回储油罐，空气经过气后冷却器 （空气冷却装置）进行冷却而进入储气罐。
2.2 空压机变频节能原理
螺杆式空压机基本运行方式是加载、减载方式。减载时电机空转,能源白白的浪费，如果利用变频器通过改变电机频率来调节转速，变频控制即通过改变电动机的转速来控制空压机单位时间的出风量，从而达到控制管路的压力，具有明显的节能效果。空压机变频节能系统原理图如图2所示。
原理如下：通过压力变送器测得的管网压力值与压力的设定值相比较，得到偏差，经PID调节器计算出变频器作用于异步电动机的频率值。由变频器输出的相应频率和幅值的交流电，在电动机上得到相应的转速。那么空压机输出对应的压缩空气输出至储气罐，使之压力变化，直到管网压力与给定压力值相同。
2.3变频改造注意事项
(1) 空压机是大转动惯量负载，这种启动特点很容易引起变频器在启动时出现跳过流保护的情况，建议采用具有高启动转矩的无速度矢量变频器，保证既能实现恒压供气的连续性，有可保证设备可靠稳定的运行。
(2) 空压机不允许长时间在低频下运行，空压机转速过低，一方面使空压机稳定性变差，另一方面也使缸体润滑度变差，会加快磨损。工作下限应不低于20Hz。
(3) 建议功率选用比空压机功率大一等级的变频器，以免空压机启动出现频繁跳闸的情况。
(4) 为了有效的滤除变频器输出电流中的高次谐波分量，减少因高次谐波引起的电磁干扰，建议选用输出交流电抗器，还可以减少电机运行的噪音，提高电机的稳定性。
(5) 设计的系统应具备变频和工频两套控制回路，确保变频出现异常跳保护时，不影响生产。
3 基于PLC的空压机变频控制系统
3.1系统原理设计
控制系统由以下部分组成：变频器、可编程控制器、变频柜、电抗器、压力变送器、震荡传感器、接触器、空气开关、电缆、电流表、电压表、按钮、互感器等。
基于PLC的变频控制系统原理图如图3所示。PLC由触摸屏、电源、CPU、模拟量输出模块、开关量输入、输出模块等组成。其中采用PLC来实现电气部分的控制。包括五部分：起动、运行、停止、切换、报警及故障自诊断。
起动：以两台电机M1，M2为例，可以通过转换开关选择变频/工频启动。
运行：正常情况，电机M1处于变频调速状态，电动机M2处于停机状态。现场压力变送器检测管网出口压力，并与给定值比较，经PID指令运算，得到频率信号，动动调节转速达到所需压力。
停止：按下停止按钮，PLC控制所有的接触器断开，变频器停止工作。
切换：实现M1，M2工频、变频相互切换。
报警及故障自诊断：
空压机内部一般有四个需要监测的量：冷却水压力监测、润滑油监测、机体温度监测、储气罐压力监测。
3.2案例分析
以某厂房空压机为例。改造前经测试参数如下：电机功率110KW，出口压力为5.9~6.5MPa，运行时间为12小时/天，一年运行320天，加载时间为15秒，减载时间15秒；加载电流为190A，减载电流为90A。经检测其节电率为30%以上。年节电量（按30%）计算如下：
W节电量=12×320×110×30%=1.27×105（kWh）
可见节电效果明显，改造后系统还存在其它优点。减少了机器的噪音。利用PLC和变频器实现了机器的软启动、软停止，避免了空压机启动时对电网的冲击，减少了对设备的维修量。两套控制回路可保证系统的正常、安全运行。后，自动化程度高，克服原系统手动调节的缺点。
一、引言
我公司国产化的聚酯（PET）装置由中国纺织工业设计院设计，采用国内开发的以醋酸锑为催化剂、二氧化钛（TiO2 ）为消光剂、精对苯二甲酸（PTA）和乙二醇(EG)为原料的直接酯化，连续缩聚的五釜流程工艺路线，生产纤维级半消光聚酯切片。
二氧化钛粉末与乙二醇溶液混合经研磨机研磨后仍会有大的粒子，如不除去会影响产品中凝聚粒子的质量指标，过多将导致超标；除去大颗粒粒子，还可以延长二氧化钛溶液过滤器滤芯的使用寿命，降低生产成本。在消光剂配制系统中使用了离心机，通过离心机的离心分离作用将TiO2悬浊液中的大颗粒粒子分离出去。经过实际考察和多方论证，终选用性价比较高的国产LW350HQ型卧式离心机。此离心机采用可编程控制器进行自动控制。本文将重点讨论PLC在离心机系统中的应用技术。
二、消光剂配制工艺流程
1、TiO2悬浮液的配制：袋装TiO2粉末与乙二醇溶液在配制罐22TA01中按一定比例混合搅拌一段时间后，使悬浮液以一定的速度进入TiO2研磨机22M02中进行次研磨，研磨物进入消光剂循环槽22TA02，第二次启动研磨机，研磨后悬浮液进入稀释槽22TA03。再向22TA03中加入定量的稀释用乙二醇溶液达到规定的浓度，混合搅拌一段时间。
2、稀释悬浮液的离心：检查和确认完离心机的状态后，在现场启动离心机22G01,当离心机达
到分散所需的转速时自动打开进料阀XV22002,自动启动供料泵22P01，随后四通阀XV22003自动切换到离心位A，经分离后的悬浮液进入消光剂中间槽22TA04,而离心分离下的TiO2滤饼进入配制槽22TA01中重复利用。在带切断阀的流量计FQIV22022上设定好下一批乙二醇量，这些EG经离心机加入TiO2配制罐中，以清洗离心机，当TiO2供料泵22P01入口管线出现流量低报或22TA04液位出现高报时，供料泵自动停止，该批料输送完毕。四通阀自动切换到冲洗位B，离心机冲洗开始，速度自动减到剥离滤饼速度，冲洗用乙二醇阀XV22003自动打开，经过一定时间的冲洗，滤饼连同乙二醇一起进入配制罐22TA01可供下一批继续使用，离心机自动停止。
3、悬浮液输送及供给过程
在中间槽内的悬浮液按要求至少要存放2小时以上以便脱活性，取样合格后，悬浮液在氮气压力作用下经过滤器过滤后进入消光剂供料槽22TA05中，供料槽中的TiO2悬浮液由计量泵连续定量地送入第二酯化釜。
工艺流程图如图1所示。其中第2步流程就是通过离心机系统来实现的。
三、离心机系统介绍
本离心机系统由离心机设备本体和控制系统两部分组成。主要技术参数如下：转鼓直径356mm，转速3200rpm以下无级可调，差转速2—32r/min无级可调，分离因数2040，液层深度45.5—54.5mm可调，生产率5—14m3/h，主电机功率18.5kw。
1 离心机设备本体
LW350HQ离心机主要由差速器、螺旋推料器、转鼓、机罩、机座、主电机等组成。图1中方框内所示即为离心机设备本体示意图。悬浮液经进料管进入主转鼓，在高速旋转产生的离心力作用下，固相颗粒沉积在转鼓内壁上，与转鼓作相对运动的螺旋叶片不断地将沉积在转鼓内壁上的固料刮下排入与22TA01相连的排污口，分离后的清液经液层调节板开口流出转鼓到与四通阀XV2003相连的排液口。由差速器来实现螺旋推料器与转鼓之间的相对运动，从而实现了离心机对物料的连续分离过程。
2、离心机控制系统
本离心机控制系统根据工艺和设备管理要求，由现场操作屏、控制柜两部分组成。现场操作屏安装在离心机现场，安装有所用的操作旋钮、按钮及指示灯、差转速控制仪表、蜂鸣器、转速显示和主电机电流显示仪表等部件。控制柜设在马达控制中心（MCC室），柜内装有可编程控制器（PLC）、交流变频器、程控稳流稳压电源，直流电源、继电器、信号隔离转换器等。由于整个配制系统除了离心分离机外，还需要一系列的配套设备，主要有进料电磁阀XV22002、冲洗电磁阀XV22005、四通阀XV22003、流量开关FL22001、FL22021、压力开关PH22031和供料泵22P01,这些设备的信号也需要参于程序控制。四通阀XV22003阀体是一入三出的结构，由带两个电磁阀的气缸驱动，A电磁阀得电使C与A 相通为离心状态，B电磁阀得电使C与B相通为冲洗状态，都不得电时C与D相通。22TA04液位高报信号LH22004由DCS系统的逻辑点送到PLC。
由交流变频器来控制主电机，实现转鼓转速的无级调节。变频器的各项参数根据实际情况设置完成后，在运行中是通过PLC进行自动控制的。通过PLC控制变频器从而控制主电机根据工艺流程进行转速、转向的变化。离心时正转且达到离心速度，冲洗时进行4次正反转冲洗，并且转速控制在冲洗速度。
螺旋推料器与转鼓之间的差转速是通过电涡流制动器和Honeywell通用数字器UDC1500来实现。由数字转速表通过测速探头将转速差转换为4-20mA信号，在UDC1500U内与设定值比较得到偏差，对偏差按预置的PID参数运算，输出4-20mA信号去控制程控稳压稳流电源输出电流在0-3A之间变化，此电流作为电涡流制动器的励磁电流，从而对螺旋推料器的轴产生制动作用，使差转速稳定在设定值附进。本控制系统的差转速部分是独立于PLC的单独控制部分，实际应用中只要控制电源投用，此控制部分就按照差转速设定值起控制作用。在差速低于报警值时由UDC1500送到PLC一个同步故障信号，在PLC程序中检测同步故障信号是在程序已运行、控制电源投用且转速升到分离速度以后再检测此信号。
四、PLC控制系统
此离心机系统的核心控制部分即为PLC。为了实现TiO2悬浮液的离心分离，通过离心机本体和相应的配套设备，由PLC进行自动控制，二者密切配合实现了物料的自动分离。
PLC选用的是和扩展性较好的欧姆龙的C200HE，其硬件配置如下（PLC布置如图2）：
1、硬件配置
①CPU选用SYSMAC C200HE－CPU 42-E,程序容量为7.2K字。
②数字量输入卡件（DI）共有2个。型号均为B型ID212的DC输入单元，此卡件支持16点直流电压输入。共使用了26个输入量，包括按钮、旋钮、联锁报警信号、四通阀阀位、供料泵状态等信号的输入。
③数字量输出卡件（DO）共有3个。全部为继电器输出单元，分别为型号为B型OC225的1个，此卡件支持16点继电器输出，本系统使用了15点，分别控制10个信号灯、1个蜂鸣器和4个电磁阀；A型OC221的1个，此卡件支持8点继电器输出，本系统使用了5点，用来控制变频器，分别为离心机正转、反转、离心频率、冲洗频率和加减速时间这5个信号。型号为OC224的1个，此卡件支持8点独立接点输出，本系统使用了6点，用来将离心机的运行、冲洗、停车、故障和供料泵启停信号送入DCS。共使用了26个数字输出量。
④电源和底板。电源选用PA204－S,底板选用C200HW-BC081的8槽底板。
2、PLC的程序
C200HE的程序用易于理解的梯形图来表示，当使用普通编程器时需把梯形图转换为助记符来输入。程序按照配制系统离心分离与EG冲洗的工艺流程编制，能够满足工艺要求。由于使用了PLC内部的保持继电器区来存储数据，这个数据区的数据在电源故障时数据也能保持。在运行过程中，在发生掉电事故、紧急停车、过载、变频器报警等异常故障时，现场的数据将保存起来，待电源恢复、故障排除后，程序从发生中断时的数据继续运行，保证了工艺流程的连续性和稳定性。本工艺流程是时序性很强的步进流程，涉及到步进关系的计时器，并未直接使用PLC内部的计时器，而是使用了由PLC系统内部时钟脉冲触发计数器进行计数来计时的，从而保证了时序关系的jingque性。程序编制了自动和手动两种控制方式，在自动无法实现时，可在现场通过控钮、旋钮进行手动控制。PLC将主电机的运行状态、工作状态以及一个总故障状态送入DCS。变频器通过信号转换器将主电机电流信号也送入DCS，这些信号在DCS操作站流程图画面中实时显示，使中央控制室操作人员能够及时了解离心机系统的运行情况，便于工业过程管理。
下面结合部分PLC语句来说明一下此离心机系统正常工况下自动离心和自动冲洗过程各动设备的工作情况，并与由PLC程序画出的时序关系图来对照说明。用到的变量表如图3，用到的程序梯形图语句如图4所示。
1、自动离心过程：
在现场确认完毕后，按下起到按钮，先进行自检，各信号均正常后自检结束，自动离心过程开始。自动离心时序图如图5所示。离心机按照离心频率开始运转，先升速5分钟，再稳速3分钟，此时开始检测同步故障，正常后打开进料阀进料，阀开后延时4秒启动进料泵22P01，将悬浮液泵入已达到离心转速的离心机，待22P01运转4分钟后四通阀的A电磁阀得电打到A位离心位，即开始正常的离心分离，分离后的悬浮液进入消光剂中间槽22TA04，持续此过程直到22P01入口流量低报或22TA04液位高报，此时0.5秒后立即停止供料泵22P01，四通阀的A电磁阀失电阀位到D，2秒后再关闭进料阀，同前面开泵一样可防止泵出口憋压，流量低报或液位高报后离心机再运转1分钟将转鼓内剩余物料彻底分离完后停止离心机的运转，四通阀的B电磁阀得电打到B位冲洗位，待离心机停止时间7分钟到后，此时离心机已完全停止转动可以开始自动冲洗过程。
2、自动冲洗过程：
自动冲洗时序图如图6所示。自动冲洗过程共进行4此冲洗，一次、三次为正向冲洗，此时离心机按照冲洗频率正向转动；二次、四次为反向冲洗，此时离心机按照冲洗频率反向转动。在每次冲洗时，先升速15秒到冲洗速度后，打开冲洗阀用乙二醇进行2分钟冲洗关闭冲洗阀，停止离心机1分钟，再进行下一次同样的冲洗过程。其中在次冲洗时在打开冲洗阀后检测流量信号FL22001是否正常，确认有流量后再向下进行冲洗过程。在第四次冲洗结束后20秒全机复位，四通阀的B电磁阀失电打到D位，至此整个程序结束。
五、结束语
为了实现TiO2悬浮液的离心分离，通过离心机本体和相应的配套设备，由PLC控制系统自动控制，二者密切配合实现了物料的自动分离。本离心机系统自装置投产运行以来，运行稳定，满足生产工艺操作要求，保证了聚酯装置连续正常运行。