煤礦壓風(fēng)系統(tǒng)在線監(jiān)控平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

李開來

(山西西山煤電股份有限公司東曲礦，山西古交030200)

0 引言

煤礦壓風(fēng)系統(tǒng)主要由空氣壓縮機、風(fēng)包、冷卻水系統(tǒng)、壓縮空氣管網(wǎng)、高低壓控制系統(tǒng)等組成，其中空氣壓縮機是主要的做功單元，可將電能轉(zhuǎn)化為空氣壓力能，從而為以壓縮空氣為動力來源的噴漿機、鑿巖機等井下設(shè)備提供動力。同時，隨著井下安全生產(chǎn)需求的提高，風(fēng)動鉆機的使用可大幅降低由電鉆電氣故障導(dǎo)致的瓦斯和煤塵爆炸事故的發(fā)生率，同時風(fēng)動扳手等工具的使用也可有效降低井下工人的勞動強度，提高生產(chǎn)效率。尤其近年來，廣泛用于井下人員安全自救的“壓風(fēng)自救系統(tǒng)”的使用，使得壓縮空氣的應(yīng)用環(huán)境更為廣泛，因此壓風(fēng)系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性要求越來越高[1-3]。

由于壓風(fēng)系統(tǒng)各設(shè)備需連續(xù)、高負(fù)荷運轉(zhuǎn)，因此其故障率相對較高，故障排除的及時性要求也較高，其運行狀態(tài)對井下正常采掘作業(yè)具有舉足輕重的影響，因此及時、全面地掌握風(fēng)壓系統(tǒng)運行工況及各特征參數(shù)的動態(tài)變化特性，對提高壓風(fēng)系統(tǒng)運行效率和工作穩(wěn)定性具有重要的現(xiàn)實意義。

1 壓風(fēng)機組在線監(jiān)控需求分析

1.1 機組現(xiàn)狀

東曲礦風(fēng)機房共配置3臺TM1500三星離心式空氣壓縮機，排氣量200 m3/min，排氣壓力0.8 MPa，電機功率≤1360 kW，正常工況使用一臺工作，遇緊急或高峰狀況，兩臺全開，其余一臺常備。冷卻方式為水冷，循環(huán)水泵為3臺，一用兩備。機組采用三星電子公司N700PLUS系列PLC進行控制。由于購進時間較長，因此目前僅具有井下風(fēng)壓的自動調(diào)節(jié)功能，仍需在現(xiàn)場進行啟、停操作，且各設(shè)備獨立運行，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和遠(yuǎn)程監(jiān)控等。一方面，為保證機組工作性能穩(wěn)定，需派專人進行巡檢，且在開機工況下檢測手段受限；另一方面，無法對機組各設(shè)備的運行數(shù)據(jù)進行有效分析，從而對設(shè)備的使用壽命和耗能評估造成影響[4-6]。因此，迫切需要通過增設(shè)傳感器、更新電控軟硬件設(shè)施等方式，來實現(xiàn)對空壓機、冷卻泵、開關(guān)柜等壓風(fēng)機組設(shè)備特性的在線監(jiān)控。

1.2 改造目標(biāo)

針對當(dāng)前壓風(fēng)機組現(xiàn)狀，此次改造的技術(shù)目標(biāo)如圖1，主要包括四點：

圖1 壓風(fēng)機組改造的技術(shù)目標(biāo)

第一，對于3臺空氣壓縮機，建立遠(yuǎn)程后臺監(jiān)控平臺，能夠準(zhǔn)確的故障跳閘，具有實時曲線、生成報表、歷史記錄、故障錄播等功能；

第二，對于3臺冷卻泵，通過遠(yuǎn)程后臺監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)各水泵無間隙切換，同時可以監(jiān)測水泵運行的溫度、電流、壓力等數(shù)據(jù)。

第三，對于電氣開關(guān)柜，通過更新高低壓開關(guān)柜設(shè)備，完善開關(guān)柜的保護功能，增加遙測、遙信、遙控功能；

第四，優(yōu)化空壓機、冷卻泵循環(huán)工作時間，延長各設(shè)備使用壽命。

在實現(xiàn)以上技術(shù)目標(biāo)同時，還希望通過該系統(tǒng)提高壓風(fēng)機組的整體工作穩(wěn)定性，降低故障發(fā)生率，縮短故障時間，降低人員和設(shè)備運營成本。

2 壓風(fēng)系統(tǒng)在線監(jiān)控平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計

壓風(fēng)系統(tǒng)在線監(jiān)控平臺的總體結(jié)構(gòu)如圖1，采用分層結(jié)構(gòu)，包括管理監(jiān)控層、PLC控制層和現(xiàn)場設(shè)備層三部分：

1)管理監(jiān)控層，主要利用原有監(jiān)控室的PC端等設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)與PLC控制層連接，可實現(xiàn)對空壓機、冷卻泵運行參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、以及對以上設(shè)備的循環(huán)優(yōu)化控制等功能；

圖2 壓風(fēng)系統(tǒng)在線監(jiān)控平臺的總體結(jié)構(gòu)

2)PLC控制層，其中的PLC芯片是整個系統(tǒng)的核心，一方面負(fù)責(zé)監(jiān)測和控制來自現(xiàn)場傳感器的開采或模擬信號；另一方面，負(fù)責(zé)將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至上機位和執(zhí)行器，保證上機位對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的掌控，以及執(zhí)行器按預(yù)設(shè)命令準(zhǔn)確動作；

3)現(xiàn)場設(shè)備層，通過增設(shè)溫度傳感器、壓力傳感器、電流互感器、接近開關(guān)等元件，可對空壓機、水泵等設(shè)備的運行參數(shù)進行實時采集。

3 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)置

3.1 現(xiàn)場設(shè)備層

監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)硬件主要包括現(xiàn)場傳感器、動作執(zhí)行器、信號傳輸線路等。其中，現(xiàn)場傳感器和動作執(zhí)行器需根據(jù)實際設(shè)備配置狀況，通過局部改造，增加監(jiān)控功能，具體如下：

1)空壓系統(tǒng)

三星TM1500式空壓機內(nèi)置傳感器齊全，僅需對其內(nèi)置的通訊端口進行數(shù)據(jù)采集，然后將溫度、壓力、電壓、電流等數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，最終上傳至PLC控制器及上機位。由此可實現(xiàn)對排氣溫度、氣體壓力、主電機功率等項目的監(jiān)測；

在風(fēng)包內(nèi)增設(shè)氣體溫度、壓力傳感器、電磁球閥等，控制氣體壓力不超過6.5 MPa，溫度不超過120℃；

2)冷卻系統(tǒng)

與空壓機相似，可直接對冷卻泵內(nèi)置的通訊端口進行數(shù)據(jù)采集，然后對電機功率、溫度等進行監(jiān)測。在此基礎(chǔ)上，冷卻系統(tǒng)改造主要是在冷卻水管路上增加水壓和水溫傳感器、電磁閥等，實現(xiàn)對上水壓力、冷卻水溫度的監(jiān)測，以及對管道通路的遠(yuǎn)程控制。另外，分別在熱水池和冷水池配置液位傳感器。

3)電氣開關(guān)柜

通過更新開關(guān)柜內(nèi)部分設(shè)備，增加輸出接口電路，使其具備對高壓開關(guān)柜和勵磁柜內(nèi)相關(guān)電參數(shù)的監(jiān)測和輸出功能。

3.2 PLC控制層

圖3 PLC控制層硬件組成及功能

對應(yīng)各部分新增傳感器等設(shè)備，一方面，對原PLC控制柜進行改造，增加水冷系統(tǒng)等部分的數(shù)據(jù)采集和處理模塊；另一方面，對控制芯片進行重新編程，拓展其監(jiān)測范圍和功能。其次，在柜體內(nèi)增加以太網(wǎng)模塊，保證PLC控制層與上機位的數(shù)據(jù)通信，從而為現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控提供基礎(chǔ)。通過對PLC控制柜的改造，其主要結(jié)構(gòu)和功能如圖3，PLC芯片可對傳感器的數(shù)字和模擬信號進行處理，并按照預(yù)定程序，向繼電器發(fā)出動作信號，同時控制指示燈狀態(tài)。另外，及時將各種數(shù)據(jù)和處理結(jié)果經(jīng)由交換機傳輸至上機位。

4 上機位監(jiān)控軟件開發(fā)

設(shè)備運行自動化和無人值守機房是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的重要發(fā)展方向，而上機位監(jiān)控軟件是壓風(fēng)機組在線監(jiān)控平臺的重要組成部分，可實現(xiàn)對現(xiàn)場運行設(shè)備的遠(yuǎn)程集中監(jiān)測與控制。上機位軟件利用WINCC組態(tài)軟件編程實現(xiàn)，其集成性、可編程性較好。通過調(diào)用專用模塊，可方便實現(xiàn)所編制軟件與PLC控制層的通信。上機位軟件的主要功能包括：監(jiān)控畫面顯示、運行參數(shù)控制、歷史數(shù)據(jù)查詢與匯總等，具體如下：

1)監(jiān)控畫面顯示。監(jiān)控畫面主要顯示3臺空壓機和冷卻泵的運行狀態(tài)，另外可顯示管網(wǎng)壓力、氣體溫度等重要參數(shù)。另外，監(jiān)控畫面可對設(shè)備故障進行報警，提示管理人員進行維護等操作。

2)運行狀態(tài)控制。上機位軟件具有對現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程控制能力，可進行空壓機的啟停操作，但為保證工作狀態(tài)穩(wěn)定，一般運行自動控制系統(tǒng)，僅在維修作業(yè)、調(diào)試等環(huán)節(jié)，對其進行手動控制。另外，在獲得操作權(quán)限后，還可對設(shè)備工作時間、供氣壓力、冷卻循環(huán)能力等參數(shù)進行遠(yuǎn)程設(shè)置。

3)歷史數(shù)據(jù)查詢與匯總。上機位軟件可對PLC控制層上傳的數(shù)據(jù)進行分類存儲，并在需要的時候進行檢索、查詢和對比，并最終以圖表形式呈現(xiàn)，方便集中管理。

5 結(jié)論

壓風(fēng)系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)保障的重要組成部分，本文針對礦壓風(fēng)機組無遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的現(xiàn)狀，首先分析了其機組設(shè)備的功能和參數(shù)，然后確定了遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺改造的目標(biāo)和基本結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，分別提出了針對現(xiàn)場設(shè)備層和PLC控制層中相關(guān)硬件的改造方案，隨后介紹了上機位監(jiān)控軟件的開發(fā)和功能設(shè)置等，本文研究內(nèi)容對煤礦壓風(fēng)系統(tǒng)在線監(jiān)控平臺的設(shè)計與改造具有積極參考價值。