基于PLC技術(shù)的空氣壓縮機監(jiān)控系統(tǒng)

賈 帥

（大同煤礦集團(tuán)鐵峰煤業(yè)有限公司，山西朔州 037200）

0 引言

煤礦空氣壓縮機作為井下風(fēng)動工具用以輸送高壓氣體，以滿足井下采煤現(xiàn)場的使用[1-2]。為滿足開采需求，現(xiàn)今井下所使用的壓縮機處于不停機、不間斷的運行狀態(tài)，然而井下每時所需要的風(fēng)量不一樣[3-4]，使得壓縮機易處于空載或輕載的運行狀態(tài)，既加重了設(shè)備的損耗，也造成了能源的浪費[5-6]。目前的煤礦空氣壓縮機自動化程度不能滿足發(fā)展需求，而且當(dāng)前的系統(tǒng)存在難維修、難擴展新功能等問題[7-8]。針對上述問題，本文設(shè)計一套空氣壓縮機監(jiān)測系統(tǒng)，可以根據(jù)井下開采的用風(fēng)量對壓縮機進(jìn)行全面監(jiān)測與控制，有效實現(xiàn)在超溫、過流、過載等環(huán)境下的機器保護(hù)，提升工作效率。

1 空氣壓縮機系統(tǒng)方案

1.1 功能需求

煤礦空氣壓縮機常工作于井下惡劣環(huán)境中，為保障能穩(wěn)定、安全、高效運行，在設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)時需滿足以下要求。

（1）實時監(jiān)測運行狀態(tài)?？諝鈮嚎s機監(jiān)控系統(tǒng)是建立在對設(shè)備運行參數(shù)有良好采集的基礎(chǔ)上進(jìn)行，需要合理地采用并布置傳感器，準(zhǔn)確地對數(shù)據(jù)收集，將數(shù)據(jù)傳輸給主控器進(jìn)行計算與分析，生成最優(yōu)的控制策略來控制設(shè)備的穩(wěn)定運行。

（2）實時分析運行狀態(tài)。空氣壓縮機監(jiān)控系統(tǒng)利用采集各項監(jiān)測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)調(diào)管理與分析，精準(zhǔn)判別設(shè)備的運行狀態(tài)，并可以對其進(jìn)行提前故障診斷，設(shè)置有預(yù)警功能，最大限度地提高空氣壓縮機的安全性與穩(wěn)定性。

（3）精準(zhǔn)控制設(shè)備運行。安全、穩(wěn)定、高效是空氣壓縮機監(jiān)控系統(tǒng)本質(zhì)需求，在此基礎(chǔ)上所設(shè)計的控制系統(tǒng)要能合理控制空氣壓縮機的平穩(wěn)啟動、設(shè)備保護(hù)、故障診斷與預(yù)警、遠(yuǎn)程控制等，從而最大程度提高設(shè)備的自動化水平。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)

本文設(shè)計的煤礦空氣壓縮機監(jiān)控系統(tǒng)分為3 層結(jié)構(gòu)，分別是地面監(jiān)控管理層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、井下現(xiàn)場監(jiān)控層。這三層之間的工作方式采用分布式控制結(jié)構(gòu)，具有上級、下級系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)，上級計算機負(fù)責(zé)整體系統(tǒng)監(jiān)測與控制，下級計算機負(fù)責(zé)執(zhí)行局部系統(tǒng)監(jiān)測控制，兩部分之間的通訊采用以太網(wǎng)的形式就行傳輸，最大化地提高系統(tǒng)的可靠性。地面監(jiān)控管理層主要由地面監(jiān)控中心、服務(wù)器、計算機、路由器等硬件組成；網(wǎng)絡(luò)傳輸層采用以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸，并通過交換機將井上設(shè)備與井下設(shè)備通信相連接，提高傳輸?shù)姆€(wěn)定性與可靠性；井下現(xiàn)場監(jiān)控層主要由井下不同位置的監(jiān)控分站組成，這些分站具有對開關(guān)量信號、模擬量信號的采集、識別、處理、顯示、監(jiān)測、控制等功能。

2 硬件設(shè)計

2.1 監(jiān)控分站

井下監(jiān)控分站負(fù)責(zé)現(xiàn)場壓縮機的實時監(jiān)控，它的運行狀態(tài)關(guān)乎整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。圖1 所示為監(jiān)控分站硬件結(jié)構(gòu)圖，整個監(jiān)控分站主要由中央處理器、信號采集單元、傳輸通信單元、存儲單元、變頻器組、顯示單元等外部設(shè)備組成。中央處理單元是整個監(jiān)控系統(tǒng)的中樞，它通過現(xiàn)場信號采集單元所監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時計算、邏輯處理、判別，再發(fā)出對變頻器發(fā)出控制信號，實現(xiàn)對現(xiàn)場空壓機的等設(shè)備的運行監(jiān)控。這些數(shù)據(jù)同時經(jīng)以太網(wǎng)傳輸至地面監(jiān)控中心調(diào)用，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的管控使用，最終完成系統(tǒng)故障診斷、故障報警、故障處理、數(shù)據(jù)顯示等功能。因井下設(shè)備的工作環(huán)境受強電磁干擾、溫差大影響、振動劇烈等影響，所以對井下監(jiān)控分站中設(shè)備的選型具有較高的可靠性、穩(wěn)定性。

圖1 監(jiān)控分站硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 主控制器

井下監(jiān)控分站中核心單元便是主控制器，它負(fù)責(zé)機組內(nèi)空氣壓縮機的監(jiān)測與控制。主控制器主要負(fù)責(zé)對各傳感器采集的信息進(jìn)行識別、分析、計算等綜合處理，實現(xiàn)控制信號的輸出，驅(qū)動變頻器對空壓機進(jìn)行控制，故所選型的主控制器需要滿足：具有強大的數(shù)據(jù)采集與分析能力；具有強大的數(shù)據(jù)通信能力以完成就地通信和遠(yuǎn)程通信功能；具有強大的運算能力，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時計算與處理；具有較高的可靠性與穩(wěn)定性，以適應(yīng)井下惡劣的工作環(huán)境。故綜合考慮后本系統(tǒng)選用西門子系列的S7-300，它可以滿足所設(shè)計功能需求。

2.3 電源模塊

電源的選型需要對電流、功率損耗進(jìn)行設(shè)計，但同時需要對其滿足一定的裕量，故本系統(tǒng)采用西門子PS307 電源模塊，它的標(biāo)準(zhǔn)型號為6ES7307-1EA00-0AA0，輸出電壓為DC24 V，輸出電流5 A，具有可靠的防爆隔離特性、防短路、開路保護(hù)等功能。

2.4 數(shù)據(jù)采集與處理

監(jiān)控系統(tǒng)對空氣壓縮機運行參數(shù)的采集主要包括輸入輸出模塊、溫度傳感器、壓力傳感器、電信號傳感器、變送器等器件，系統(tǒng)采集框圖如圖2所示，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理通過井下現(xiàn)場監(jiān)控分站對空氣壓縮機運行各種參數(shù)在一定周期內(nèi)依次采集，傳輸至主控器進(jìn)行處理，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示、計算、查詢、故障分析與報警、控制等功能。本系統(tǒng)中，采用的采樣周期為30 ms，即每30 ms 對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行一次采樣，并將登錄信息、診斷信息、故障信息等數(shù)據(jù)記錄在數(shù)據(jù)庫中。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集框圖

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)對空氣壓縮機監(jiān)控的軟件系統(tǒng)主要是實現(xiàn)對電壓電流、風(fēng)壓、溫度等數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)發(fā)送與接收、數(shù)據(jù)通信、故障診斷與報警、數(shù)據(jù)顯示、壓縮機的監(jiān)控等功能。圖3所示為軟件系統(tǒng)主流程圖，首先完成硬件的初始化，主要包括系統(tǒng)時鐘、中斷向量、串口設(shè)置、SPI 串行外設(shè)等初始化。其次完成操作系統(tǒng)的初始化，網(wǎng)絡(luò)通信的初始與調(diào)用，此時系統(tǒng)可以對系統(tǒng)內(nèi)存、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等進(jìn)行使用。系統(tǒng)完成初始化后便創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集任務(wù)、通訊任務(wù)、故障預(yù)警任務(wù)、數(shù)據(jù)界面顯示任務(wù)等監(jiān)控任務(wù)，根據(jù)任務(wù)的重要性主控器分配任務(wù)優(yōu)先級、任務(wù)堆棧大小等信息。

圖3 系統(tǒng)主流程圖

4 結(jié)束語

本文通過對煤礦空氣壓縮機監(jiān)控所需功能需求進(jìn)行分析，重點解決空氣壓縮機的傳統(tǒng)監(jiān)測的弊端，設(shè)計一套煤礦空氣壓縮機監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用分布式三層結(jié)構(gòu)，即地面監(jiān)控管理層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、井下現(xiàn)場監(jiān)控層。井下監(jiān)測分站，對空氣壓縮機的電壓、電流、風(fēng)壓、溫度等信息進(jìn)行監(jiān)測采集，并通過井下監(jiān)控分站的計算與處理，再通過以太網(wǎng)傳輸至地面監(jiān)控中心完成整個系統(tǒng)的監(jiān)控。該系統(tǒng)實現(xiàn)了井下空氣壓縮機的自動化監(jiān)控，提高了生產(chǎn)效率，具有較高的實用價值。