礦井空氣壓縮機(jī)監(jiān)控技術(shù)的研究

曾燕平 黃增陽

1 空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)概述

礦井空氣壓縮設(shè)備主要包括空氣壓縮機(jī)、空氣過濾器、電機(jī)拖動(dòng)裝置、后部冷卻器、油細(xì)分離器等相關(guān)部分組成。以往空氣壓縮機(jī)通常是根據(jù)人力進(jìn)行監(jiān)控，通過人工來判斷空氣壓縮機(jī)工作的環(huán)境溫度、濕度以及故障，但是人工調(diào)控的方法受到人主觀因素的影響比較大，難以客觀、真實(shí)的反饋壓縮機(jī)的工作問題以及工作情況。同時(shí)，人工也無法對(duì)空氣過濾器、空氣壓縮機(jī)、油過濾器堵塞以及油細(xì)分離器等相關(guān)故障第一時(shí)間進(jìn)行發(fā)現(xiàn)和維護(hù)，影響空氣壓縮機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和使用壽命。因此，結(jié)合礦井空氣壓縮機(jī)的工作特點(diǎn)以及工作環(huán)境特征進(jìn)行針對(duì)性的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)于保護(hù)空氣壓縮機(jī)工作的穩(wěn)定性，提高空氣壓縮機(jī)高效、穩(wěn)定的運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。

目前，在礦井中廣泛應(yīng)用的空氣壓縮機(jī)為雙螺桿式空氣壓縮機(jī)。該系統(tǒng)主要包括氣路系統(tǒng)、油路系統(tǒng)、空壓機(jī)機(jī)體、電控系統(tǒng)以及冷卻回路等相關(guān)部分組成。通過驅(qū)動(dòng)電路可以為機(jī)體提供源源不斷的動(dòng)力，經(jīng)過空氣過濾器后，外部空氣中的大顆粒的灰塵雜質(zhì)會(huì)被過濾掉，然后經(jīng)過過濾的空氣進(jìn)入到空壓機(jī)機(jī)體，組合油過濾器過濾的潤滑油氣體一起進(jìn)入到油氣桶中。再經(jīng)過油細(xì)分離器分離潤滑油和壓縮空氣，使?jié)櫥椭貜?fù)利用、循環(huán)利用，減少物料的損耗?？諝饨?jīng)過壓縮之后，通過后部冷卻器將原有的高溫水氣轉(zhuǎn)換成液態(tài)的水，壓縮空氣經(jīng)過冷凝之后，通過排氣管路儲(chǔ)存到儲(chǔ)氣罐當(dāng)中。儲(chǔ)氣罐通過外接管道，將壓縮氣體送入各個(gè)用氣地點(diǎn)。雙螺桿式空壓機(jī)在礦井中有著十分廣泛的應(yīng)用，可以有效避免由于礦井內(nèi)部瓦斯?jié)舛冗^高而造成的爆炸事故，同時(shí)也能有效降低工作人員的工作強(qiáng)度，提高工人工作效率。

2 中國外相關(guān)礦井空氣壓縮機(jī)監(jiān)控技術(shù)的研究現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是信息時(shí)代的全面到來，計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)入各行各業(yè)當(dāng)中，為各行各業(yè)帶來了顛覆性的改變。計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)在各行業(yè)的推廣，極大地提升了企業(yè)運(yùn)行的安全性和可靠性，減少了事故的發(fā)生，降低了人力成本。結(jié)合礦井實(shí)際環(huán)境條件以及礦井空氣壓縮機(jī)的使用要求、使用目的和使用現(xiàn)狀，大力開展監(jiān)控技術(shù)的研究已經(jīng)成為當(dāng)前礦井工程設(shè)備企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容[1]。自20世紀(jì)80年代以來，計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、微電子控制技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，也推動(dòng)了計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展與進(jìn)步。目前，中國外一系列著名的公司已經(jīng)開發(fā)出可靠、堅(jiān)固的監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，控制系統(tǒng)的功能也獲得了增強(qiáng)和完善，控制系統(tǒng)的智能性、可靠性和持久性明顯提升。相關(guān)計(jì)算機(jī)監(jiān)控產(chǎn)品的開發(fā)作為工業(yè)控制技術(shù)發(fā)展的主流，監(jiān)控系統(tǒng)不僅是未來工業(yè)控制的重點(diǎn)和關(guān)鍵，同時(shí)也對(duì)人們社會(huì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。隨著中國工業(yè)企業(yè)轉(zhuǎn)型、升級(jí)的進(jìn)一步加快，對(duì)監(jiān)控技術(shù)也提出了更高的要求，需要將工業(yè)裝置與計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)開發(fā)滿足實(shí)際要求的控制系統(tǒng)，保證現(xiàn)場(chǎng)控制的準(zhǔn)確性、精確度和穩(wěn)定性[2]。

3 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)成

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

第一，需要對(duì)礦井空氣壓縮機(jī)使用的具體環(huán)境進(jìn)行細(xì)致、科學(xué)的勘探，明確影響空氣壓縮機(jī)使用的主要因素以及空氣壓縮機(jī)使用的目的和環(huán)節(jié)，結(jié)合空氣壓縮機(jī)使用的要求，合理開展空氣壓縮機(jī)監(jiān)控技術(shù)和監(jiān)控方案的設(shè)計(jì)應(yīng)用。礦井空氣壓縮機(jī)本身裝有內(nèi)部控制器，操作人員可以利用控制面板對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)和停止，并能從控制面板中查看空壓機(jī)的參數(shù)并進(jìn)行調(diào)整，明確空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)?？諌簷C(jī)系統(tǒng)供電開關(guān)柜內(nèi)配置有測(cè)控單元和綜保裝置，可以通過網(wǎng)絡(luò)接受主張命令，并將工作過程中收集檔的數(shù)據(jù)信息傳輸給控制系統(tǒng)。為了能實(shí)現(xiàn)礦井空氣壓縮機(jī)的自動(dòng)監(jiān)控，需要科學(xué)開展空氣壓縮機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，要求監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以完成井下就地集中控制和就地手動(dòng)控制，還要能實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程集中控制的功能。所以，可以將控制柜引入井下空壓機(jī)房內(nèi)，設(shè)置井下空壓機(jī)系統(tǒng)集中控制站，使其能與開關(guān)柜中的綜保裝置保持良好的通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)工作狀態(tài)的監(jiān)控，提高監(jiān)控質(zhì)量和進(jìn)度。

第二，控制系統(tǒng)和控制面板也能與地面調(diào)度中心進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，起到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站的作用，實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程集中監(jiān)控[3]。

3.2 空氣壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

空氣壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要包括軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)兩部分組成。為了保證空氣壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性、穩(wěn)定性和及時(shí)性，主機(jī)可以采用聯(lián)想奔騰處理器，用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus 協(xié)議進(jìn)行通訊。礦井空氣壓縮機(jī)監(jiān)控設(shè)備通訊距離比較長，可以設(shè)置轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)的傳輸，軟件平臺(tái)采用WindowsXP，用戶可以根據(jù)實(shí)際要求快速、方便地進(jìn)行不同類型的監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)造和收集采集。監(jiān)控系統(tǒng)要能以圖形的方式對(duì)空氣壓縮機(jī)等工作流程進(jìn)行顯示，明確空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)以及目前的工作狀況，并將相關(guān)參數(shù)顯示到對(duì)應(yīng)的圖像當(dāng)中，使管理人員可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)空氣壓縮機(jī)運(yùn)行過程中存在的問題并進(jìn)行調(diào)整，保證空氣壓縮機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。此外，監(jiān)控系統(tǒng)還要能具備實(shí)時(shí)報(bào)警的功能，做好對(duì)空氣壓縮機(jī)油溫、震動(dòng)以及油壓的監(jiān)測(cè)，一旦出現(xiàn)參數(shù)超過報(bào)警限值時(shí)，要能及時(shí)進(jìn)行指示燈閃爍報(bào)警和聲音報(bào)警，提示工作人員進(jìn)行故障處理，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大而影響整個(gè)礦井作業(yè)的開展。另外，空氣壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)還需要具備工況自動(dòng)切換功能。如果系統(tǒng)壓力在實(shí)際運(yùn)行的過程中，超過了用戶設(shè)置的壓力，設(shè)備要能自動(dòng)轉(zhuǎn)換成卸載工況。如果系統(tǒng)壓力在使用過程中掉下來，則設(shè)備要能自動(dòng)轉(zhuǎn)為加載工況，使系統(tǒng)壓力可以維持在良好的壓力區(qū)間之內(nèi)，保證礦井內(nèi)有穩(wěn)定的壓力供應(yīng)。

4 礦井空氣壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的安裝和運(yùn)行

結(jié)合空氣壓縮機(jī)工作的具體要求和環(huán)境特征，科學(xué)地開展設(shè)備的設(shè)計(jì)安裝調(diào)試和試運(yùn)行?？諝鈮嚎s機(jī)的控制系統(tǒng)通常來說是為工業(yè)環(huán)境設(shè)置的控制裝置，對(duì)環(huán)境不敏感，但是如果電磁干擾過于強(qiáng)烈，或者使用安裝不到位，都會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)作，甚至?xí)瓜到y(tǒng)失控，影響設(shè)備作業(yè)的安全性和可靠性。因此，要采取一定的措施盡可能地減少環(huán)境因素的干擾，保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行。數(shù)字信號(hào)通常對(duì)信號(hào)電纜沒有特殊的要求，可以選擇一般電纜進(jìn)行信號(hào)的傳輸，如果距離過長，也可以選擇屏蔽電纜進(jìn)行線路的搭設(shè)。高速信號(hào)和模擬信號(hào)的傳輸電路需要選擇屏蔽電纜，通信電纜需要采取專用電纜進(jìn)行信號(hào)傳輸。這是由于通信電纜對(duì)可靠性和安全性的要求比較高，信號(hào)頻率相對(duì)較高，在安裝和布線的過程中，注意控制系統(tǒng)要遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源。例如，大型動(dòng)力設(shè)備和變頻器，高壓電氣和PLC 不能安裝在同一個(gè)開關(guān)柜內(nèi)，功率線和信號(hào)線要分開走，不同類型的線需要在不同電纜槽、電纜管中安裝，使不同類型的線路之間有著良好的空間距離。同時(shí)，要求信號(hào)線盡可能的接近接地的金屬導(dǎo)體或者地線，將弱電部分和強(qiáng)電部分在柜子布線的時(shí)候分開，弱電線走右邊線槽，強(qiáng)電線走左邊線槽。

PLC 安全可靠運(yùn)行的前提是良好的接地，PLC 通常需要采取獨(dú)立的接地裝置，如果條件實(shí)在有限，也可以將PLC 與其他弱電設(shè)備共用一個(gè)機(jī)電裝置，禁止采用串聯(lián)接地的形式。工作人員根據(jù)控制系統(tǒng)的原理完成整個(gè)系統(tǒng)接線之后，需要對(duì)各個(gè)閥門和接線進(jìn)行檢查，保證線路接的準(zhǔn)確性。在高壓不接通的情況下，將空壓機(jī)啟動(dòng)，觀察空壓機(jī)盤車是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，卸荷閥和放空閥是否能正常工作，觀察油泵和指示燈是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。然后，接通高壓觀察空壓機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)行情況并進(jìn)行上位機(jī)控制，判斷上位機(jī)是否可以正常開展盤車控制，是否能實(shí)時(shí)、快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，是否存在報(bào)警記錄和變量記錄等。

在實(shí)際監(jiān)控系統(tǒng)試運(yùn)行的過程中也存在一定的故障和問題，例如，在進(jìn)行模擬量調(diào)試過程中，輸入恒定的情況下，PLC 采集的數(shù)據(jù)跳動(dòng)比較大。后來發(fā)現(xiàn)這是由于傳感器信號(hào)、模擬量模塊電源信號(hào)沒有有效連接到一起，導(dǎo)致二者存在較高的共模電壓，影響模擬量輸入。通過連接模塊電源的負(fù)端和個(gè)模擬量輸入端的負(fù)極之后，能明顯減輕干擾，解決較大數(shù)據(jù)跳動(dòng)的問題。在試運(yùn)行期間，上位機(jī)數(shù)據(jù)更新比較緩慢，影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。通過對(duì)故障排查和原因分析，發(fā)現(xiàn)這是由于軟件中存在兩臺(tái)PLC 地址的變量，導(dǎo)致軟件會(huì)對(duì)兩臺(tái)地址的變量都進(jìn)行處理和訪問，而一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)先對(duì)沒有接上電路的PLC 的變量訪問，這時(shí)并沒有數(shù)據(jù)應(yīng)答返回，然后才會(huì)訪問下一個(gè)變量，導(dǎo)致整個(gè)循環(huán)周期需要重復(fù)相同的過程，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，顯示和控制有明顯的延遲，無法滿足用戶的需求。通過對(duì)軟件進(jìn)行重新設(shè)置和參數(shù)調(diào)整，有效解決了數(shù)據(jù)延遲的問題，在問題解決之后，整個(gè)空氣壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能正常穩(wěn)定的運(yùn)行，達(dá)到實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的需求。

5 結(jié)語

綜上所述，礦井空氣壓縮機(jī)監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用能有效解決傳統(tǒng)人力監(jiān)控存在的問題和不足，進(jìn)一步提升礦井空氣壓縮機(jī)的工作效率和工作質(zhì)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)空壓機(jī)運(yùn)行過程中存在的問題，并采取針對(duì)性的措施進(jìn)行解決，避免空壓機(jī)故障而影響整個(gè)礦井作業(yè)的延誤。因此，需要加強(qiáng)對(duì)礦井空壓機(jī)監(jiān)控技術(shù)的研究，明確礦井空壓機(jī)監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用的方法和運(yùn)行的策略，提高礦井工作效率。通過對(duì)礦井空氣壓縮機(jī)監(jiān)控技術(shù)的深入探究，不僅可以保障空壓機(jī)運(yùn)行的效率，同時(shí)也可以提升礦井內(nèi)作業(yè)的安全性，有利于安全生產(chǎn)。