一種改進(jìn)型的礦山空壓機(jī)集中控制系統(tǒng)

洛陽中重自動(dòng)化工程有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

作為礦山主要設(shè)備之一的空壓機(jī)，穩(wěn)定性和可靠性直接關(guān)系到礦方的正常生產(chǎn)，其能耗水平也是考量空壓機(jī)降本增效的一個(gè)重要指標(biāo)?；诖?，借助于自動(dòng)化控制、總線通信、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理、智能算法等技術(shù)，針對(duì)性地開發(fā)了一種空壓機(jī)集中控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅具備多種控制功能，且能實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的自動(dòng)調(diào)度及優(yōu)化控制。在滿足現(xiàn)場實(shí)際用風(fēng)的基礎(chǔ)上，可以減少空壓機(jī)空載及無效運(yùn)行時(shí)間，提高空壓機(jī)加載率和母管壓力的穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)方案

空壓機(jī)集中控制系統(tǒng)如圖1 所示[1]，由多臺(tái)空壓機(jī)、風(fēng)壓及風(fēng)溫傳感器、壓風(fēng)管路、管路閥門、風(fēng)包、風(fēng)包母管壓力及溫度傳感器、低壓配電柜、自控系統(tǒng) PLC 柜、電能采集儀表及上位監(jiān)控系統(tǒng)組成。

控制系統(tǒng)采用 IPC+PLC 控制架構(gòu)，分為中央監(jiān)控中心、PLC 自控系統(tǒng)、現(xiàn)場控制三級(jí)控制模式，對(duì)整個(gè)機(jī)房內(nèi)的空壓機(jī)、檢測儀表、閥門、風(fēng)溫和風(fēng)壓傳感器等進(jìn)行管理和控制。

中央監(jiān)控中心以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)，配套專業(yè)組態(tài)及工控平臺(tái)軟件[2]，與 PLC 自控系統(tǒng)采用驅(qū)動(dòng)程序連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；PLC 自控系統(tǒng)以高性能 PLC 控制器作為主控制核心，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集。所有空壓機(jī)采用邏輯啟?？刂疲哂袃?yōu)化調(diào)度控制功能。PLC 控制器采用硬線端口及總線通信與多臺(tái)空壓機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)信號(hào)交互和狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，集控系統(tǒng)框圖如圖2 所示。

圖1 空壓機(jī)集中控制系統(tǒng)Fig.1 Centralized control system for air compressor

圖2 集控系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of centralized control system

單臺(tái)空壓機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的第三級(jí)，配置有獨(dú)立操作及控制面板，可以實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的就地啟?？刂?、參數(shù)更改及監(jiān)控、運(yùn)行保護(hù)控制功能[3]。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

集中控制系統(tǒng)可與新建空壓機(jī)系統(tǒng)集成，同樣適用于對(duì)原有空壓機(jī)電氣系統(tǒng)進(jìn)行改造，為空壓機(jī)增加電能采集模塊，增加遠(yuǎn)程控制回路的信號(hào)接入與輸出。利用總線通信，采集空壓機(jī)的運(yùn)行及狀態(tài)數(shù)據(jù)。利用 PLC 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理機(jī)邏輯控制功能，以母管壓力為控制目標(biāo)，以空壓機(jī)“均勻磨損”為基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)空壓機(jī)的智能優(yōu)化控制。

2.1 操作運(yùn)行控制

PLC 自控系統(tǒng)以西門子 1513-2PN 高性能 CPU為控制核心[4]，配置必要的輸入、輸出、通信卡件，實(shí)現(xiàn)全部空壓機(jī)操作指令的發(fā)出，完成對(duì)所有空壓機(jī)運(yùn)行信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)和保護(hù)信號(hào)的監(jiān)測，滿足工藝運(yùn)行需求的參數(shù)調(diào)整與輸出。中央監(jiān)控中心配合工控軟件負(fù)責(zé)空壓機(jī)的統(tǒng)一調(diào)度管理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化控制功能的切換、數(shù)據(jù)上傳和下載[5]。整個(gè)系統(tǒng)操作簡單，可實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)無人值守模式下的設(shè)備操作，操作運(yùn)行控制功能如下。

(1)遠(yuǎn)程/就地模式 遠(yuǎn)控模式下，設(shè)備的控制和狀態(tài)顯示、報(bào)警均由后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

(2)手動(dòng)控制 保留原空壓機(jī)的手動(dòng)控制方式，且手動(dòng)控制方式具有優(yōu)先權(quán)，保證集控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)空壓機(jī)的正常工作。

(3)自動(dòng)控制模式 無需人為干預(yù)，由 PLC 自動(dòng)控制，根據(jù)排氣壓力、風(fēng)包壓力、終端用氣壓力自動(dòng)控制空壓機(jī)啟停數(shù)量、加卸載，做出合理的調(diào)配組合。

(4)實(shí)時(shí)控制 實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)運(yùn)行工況實(shí)時(shí)監(jiān)測。

(5)人機(jī)界面 可提供遠(yuǎn)程模式下所有空壓機(jī)的啟?？刂疲L(fēng)包的定時(shí)放水控制，參數(shù)調(diào)整控制及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示功能。

(6)遠(yuǎn)程集控模式 人機(jī)界面提供了遠(yuǎn)程手動(dòng)/自動(dòng)，單臺(tái)空壓機(jī)輪巡控制投入/切除，溫度振動(dòng)報(bào)警故障值的上傳下載，設(shè)備遠(yuǎn)程手動(dòng)“掛起”功能。

(7)參數(shù)設(shè)置 對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)設(shè)置界面手動(dòng)調(diào)整功能，可根據(jù)實(shí)際工況對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)復(fù)雜的工況。

(8)實(shí)時(shí)監(jiān)控 監(jiān)控并存儲(chǔ)空壓機(jī)的運(yùn)行實(shí)時(shí)曲線，能生成空壓機(jī)的故障、運(yùn)行、操作記錄，能進(jìn)行故障時(shí)的聲光預(yù)警及語音提醒。

2.2 總線通信及數(shù)據(jù)采集

空壓機(jī)作為一個(gè)獨(dú)立的具備完整工藝運(yùn)行功能的單機(jī)設(shè)備，配置有控制器、操作面板、狀態(tài)顯示器。單體設(shè)備操作時(shí)，可以自主實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、自動(dòng)加卸載控制、故障安全保護(hù)、狀態(tài)與運(yùn)行信息采集及顯示等功能。同時(shí)，空壓機(jī)留有遠(yuǎn)程控制接口，支持采用硬線端口或者通信端口連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

PLC 控制器配置 RS485 總線通信卡件[6]，支持MODBUS_RTU 通信，采用屏蔽雙絞線與空壓機(jī)控制面板、電能采集儀表、溫度振動(dòng)巡檢儀表通信端口連接，以輪巡的方式發(fā)送和讀取數(shù)據(jù)?？偩€通信網(wǎng)絡(luò)采用“菊花鏈拓?fù)洹苯Y(jié)構(gòu)，所有的空壓機(jī)控制器面板、電能儀表、巡檢儀表作為通信子站，通信端口“A，B”由雙絞線串聯(lián)在一起，然后連接至 PLC 通信卡件的“A，B”端口，為了保證通信質(zhì)量和傳輸距離，通常將通信終端子站的A、B 端子間并聯(lián)一個(gè)120Ω的精密電阻，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3 所示。

采用總線通信，可將空壓機(jī)內(nèi)部對(duì)外開放的所有信息全部上傳至集中控制系統(tǒng)。通過這些信息，調(diào)度人員能夠掌握每臺(tái)空壓機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，出現(xiàn)故障及報(bào)警時(shí)，能夠精確判斷故障類型，以便及時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行處理。

2.3 智能優(yōu)化控制

圖3 總線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Topology of bus communication network

在空壓機(jī)母管增加壓力檢測，以母管壓力為最終的控制目標(biāo)，決定啟動(dòng)空壓機(jī)的數(shù)量。同時(shí)，實(shí)時(shí)計(jì)算每臺(tái)空壓機(jī)的單次及累積運(yùn)行時(shí)間和加載時(shí)間，根據(jù)采集的加卸載信號(hào)判斷空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，控制空壓機(jī)的啟動(dòng)和停機(jī)，在滿足現(xiàn)場使用需求的前提下，實(shí)現(xiàn)母管壓力閉環(huán)控制和空壓機(jī)的輪巡優(yōu)化控制[7]，提高空壓機(jī)加載率，降低總體能耗。

(1)輪巡工作 利用軟件編程功能，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，自動(dòng)記錄和計(jì)算空壓機(jī)的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，并按照運(yùn)行時(shí)間的長短進(jìn)行排序，按照累積運(yùn)行時(shí)間長短確定啟停機(jī)優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先啟動(dòng)無故障、累積運(yùn)行時(shí)間最短的空壓機(jī)；停機(jī)時(shí)，優(yōu)先停止運(yùn)行時(shí)間最長的空壓機(jī)。依照此種自動(dòng)控制模式，可實(shí)現(xiàn)所有空壓機(jī)累積運(yùn)行時(shí)間輪換工作，均勻磨損，最大程度延長空壓機(jī)使用壽命。通過程序排序控制，空壓機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間均衡偏差可控制在 1 h。空壓機(jī)按照時(shí)間輪巡運(yùn)行排序代碼如下：

(2)壓力閉環(huán)控制 空壓機(jī)的能耗及加載率與負(fù)載實(shí)際用風(fēng)量、空壓機(jī)本身的工作狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)及參數(shù)設(shè)置密切相關(guān)。由于每臺(tái)運(yùn)行中的空壓機(jī)是否加卸載取決于空壓機(jī)本體上設(shè)定的加載壓力值、卸載壓力值和空壓機(jī)的排風(fēng)壓力實(shí)際值?？諌簷C(jī)是否啟動(dòng)受控于設(shè)定的母管正常工作的壓力下限和壓力上限。當(dāng)母管壓力低于下限時(shí)，增加啟動(dòng) 1 臺(tái)機(jī)子，壓力緩慢上升；當(dāng)設(shè)定的壓力穩(wěn)定時(shí)間到時(shí)，如果母管壓力尚未達(dá)到設(shè)定的正常工作的母管壓力上限，則繼續(xù)增加啟動(dòng) 1 臺(tái)機(jī)子，直至母管壓力達(dá)到正常工作壓力上限，停止增加啟動(dòng)空壓機(jī)。不合適的工作參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致空壓機(jī)加載率低、空載時(shí)間過久、工作時(shí)間不平衡，最終導(dǎo)致設(shè)備效率低下，能耗增加。如空壓機(jī)加載及卸載壓力設(shè)定值與設(shè)定的正常工作的母管壓力上限及下限值不匹配，易造成啟動(dòng)的空壓機(jī)不加載，空載過久造成能源浪費(fèi)；母管壓力上限與空壓機(jī)卸載壓力相同或高于卸載壓力，造成啟動(dòng)后的空壓機(jī)不加載；母管壓力下限高于加載壓力，造成運(yùn)行過程中的空壓機(jī)尚未開始加載，而又增加啟動(dòng)了 1 臺(tái)空壓機(jī)。

基于上述控制流程，在風(fēng)包母管增加壓力傳感器，檢測實(shí)時(shí)風(fēng)包壓力，以滿足現(xiàn)場實(shí)際需求的母管壓力為控制目標(biāo)。采用 PID 控制策略，實(shí)現(xiàn)母管壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，盡量減少母管壓力的大范圍波動(dòng)，避免某臺(tái)空壓機(jī)頻繁啟停機(jī)；對(duì)于所有的空壓機(jī)，將空壓機(jī)的加卸載壓力設(shè)置為統(tǒng)一值，可最大程度地提高每臺(tái)空壓機(jī)的加載率，并保證運(yùn)行中的空壓機(jī)均衡工作。壓力閉環(huán)控制邏輯流程如圖4 所示。

3 實(shí)際應(yīng)用

圖4 壓力閉環(huán)控制流程Fig.4 Process flow of closed-loop pressure control

目前，空壓機(jī)集中控制系統(tǒng)已經(jīng)在礦山行業(yè)多個(gè)現(xiàn)場投入使用。在中央監(jiān)控室，操作人員按照實(shí)際需求，更改空壓機(jī)系統(tǒng)的操作方式，自動(dòng)/手動(dòng)啟停空壓機(jī)，實(shí)時(shí)調(diào)整自動(dòng)輪巡方式下工作壓力的上下限值，控制停機(jī)時(shí)間。當(dāng)某臺(tái)空壓機(jī)檢修或故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)將其退出輪巡操作。操作人員也可手動(dòng)干預(yù)，將特定的空壓機(jī)退出輪巡控制。采用壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，在自動(dòng)方式下，母管壓力波動(dòng)范圍可嚴(yán)格控制在設(shè)定的工作壓力區(qū)間，以此提高空壓機(jī)加載率，縮短空壓機(jī)空載運(yùn)行時(shí)間，降低能源消耗。以內(nèi)蒙古某金屬礦 6 臺(tái)空壓機(jī)為例，改造后，整個(gè)機(jī)房運(yùn)行指標(biāo)如表1 所列。

表1 內(nèi)蒙古某空壓機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)Tab.1 Operation index of an air compressor system in Inner Mongolia

4 結(jié)論

改進(jìn)型集控系統(tǒng)可保留空壓機(jī)原有完整的運(yùn)行控制功能，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)檢測齊全，操作及控制更加人性化和智能化，特別適用于空壓機(jī)無人值守改造。但是，由于管阻及管道沿線泄漏會(huì)導(dǎo)致風(fēng)包出口壓力與負(fù)載壓力不一致，最終表現(xiàn)為以風(fēng)包出口壓力為控制目標(biāo)的壓力調(diào)節(jié)有一定的偏差，需要重點(diǎn)關(guān)注。同時(shí)為了保證空壓機(jī)無人化改造后的安全可靠，可重點(diǎn)關(guān)注空壓機(jī)內(nèi)部的油路泄漏及高溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測問題。