礦井空壓機(jī)新型在線監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

付潤(rùn)滋，劉傳營(yíng)，范傳海，王海峰，王如倉(cāng)

（兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧三號(hào)煤礦，山東 濟(jì)寧273500）

0 引 言

在煤礦生產(chǎn)中，空氣壓縮機(jī)（以下簡(jiǎn)稱空壓機(jī)）主要向井下的風(fēng)動(dòng)機(jī)械提供動(dòng)力，其穩(wěn)定性及可靠

性直接影響到煤礦的安全生產(chǎn)。隨著礦井巷道的不斷延伸，單臺(tái)壓風(fēng)機(jī)并不能滿足全部井下供風(fēng)，需

要多臺(tái)壓風(fēng)機(jī)配合供風(fēng)。隨著單片機(jī)、PLC 的大量應(yīng)用，合理解決設(shè)備與設(shè)備之間通訊將成為一個(gè)重要環(huán)節(jié)。此外，隨著煤礦從業(yè)人員的減少，煤礦企業(yè)

面臨的就業(yè)人員不足的壓力。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)操作方便，功能完善的全自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)所有的空壓機(jī)以及附屬設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和保護(hù)，對(duì)于降低設(shè)備維護(hù)成本，提升工人工作效率有著重要意義。

1 礦井壓風(fēng)機(jī)現(xiàn)狀

兗礦集團(tuán)濟(jì)寧三號(hào)煤礦現(xiàn)有10 臺(tái)壓風(fēng)機(jī)，其中離心式壓風(fēng)機(jī)1 臺(tái)，螺桿式壓風(fēng)機(jī)9 臺(tái)，其中9臺(tái)螺桿式壓風(fēng)機(jī)利用1 臺(tái)S7-200 PLC 遠(yuǎn)程集控，后期安裝的離心式壓風(fēng)機(jī)無(wú)法集控，只能采用就地人工控制，存在控制方式落后。操作不方便的問(wèn)題。后期安裝了離心機(jī)提熱系統(tǒng)，用于給職工的洗浴用水加熱。同樣是通過(guò)西門子S7-300 PLC 控制，各自有著獨(dú)立的控制方式。壓風(fēng)機(jī)高壓供電系統(tǒng)采用南瑞RCS9600 系列繼電保護(hù)，無(wú)后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)后臺(tái)監(jiān)控?，F(xiàn)在，迫切需要整合各個(gè)子系統(tǒng)。形成一套完善、全面的壓風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)控制原理圖

系統(tǒng)以西門子S7-1200 PLC 控制系統(tǒng)為核心，由空壓機(jī)及其附屬設(shè)備的集中控制部分、工業(yè)電視監(jiān)控部分和電力監(jiān)控后臺(tái)3 部分組成，最終實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的無(wú)人值守聯(lián)動(dòng)控制。體系結(jié)構(gòu)分為3 層結(jié)構(gòu)：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、PLC 控制層和監(jiān)控信息層。系統(tǒng)的核心是位于中間層的PLC 控制層，負(fù)責(zé)對(duì)下層控制與上層通訊；最底層為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，通過(guò)開關(guān)量信號(hào)、模擬量信號(hào)以及通訊協(xié)議與PLC 相連接；最上層通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議與PLC 相連接。采用分級(jí)管控、分層操作的方式，實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)的集中控制，無(wú)人值守。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層

壓風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備眾多，包含高、低壓柜，冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，余熱利用系統(tǒng)、壓風(fēng)系統(tǒng)。其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，壓風(fēng)系統(tǒng)都無(wú)法正常運(yùn)行，影響井下供風(fēng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以modbus 通訊協(xié)議為基礎(chǔ)，將所有設(shè)備層中的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)PLC 系統(tǒng)的I/O 點(diǎn)信息及各種智能儀表等的采集和上傳，同時(shí)傳送集中控制信號(hào)到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)參控設(shè)備的操作、控制、狀態(tài)監(jiān)視、信息傳輸及控制指令的傳達(dá)執(zhí)行。

2.2 PLC 控制層

中間層為PLC 控制層，采用西門子S7-1200 為控制核心，配備多個(gè)I/O 模塊和AI 模塊，由上位工控機(jī)和PLC 控制系統(tǒng)、硬盤錄像機(jī)等設(shè)備組成，通過(guò)光纖進(jìn)行通訊連接，采用高性能工控機(jī)作為上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備的集中控制。可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、溫度（至少包含空壓機(jī)組出廠設(shè)計(jì)參數(shù)）以及電氣參數(shù)（包括配電設(shè)備母線電壓、開關(guān)分合狀態(tài)、電機(jī)電流、電壓、功率、功率因數(shù)等）的連續(xù)在線監(jiān)測(cè)功能。

2.2.1 控制方式

系統(tǒng)具備自動(dòng)和就地控制兩種模式。自動(dòng)運(yùn)行方式可實(shí)現(xiàn)單臺(tái)空壓機(jī)遠(yuǎn)程一鍵啟動(dòng)（停止），同時(shí)對(duì)多臺(tái)機(jī)組的實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制，以滿足不同階段時(shí)的礦井用風(fēng)需求，有效防止同時(shí)啟動(dòng)兩臺(tái)或多臺(tái)空壓機(jī)。實(shí)現(xiàn)恒壓供風(fēng)，即系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的供風(fēng)壓力值，自動(dòng)控制設(shè)備的卸荷和加載，壓力值或風(fēng)壓高于設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)卸荷或停機(jī)，低于設(shè)定值時(shí)，能自動(dòng)加載或開機(jī)。并同時(shí)實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)高低壓電源部分遠(yuǎn)動(dòng)功能，真正實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)房設(shè)備遠(yuǎn)程操控，無(wú)人值守。

2.2.2 保護(hù)功能

系統(tǒng)具有完備的保護(hù)及報(bào)警顯示功能，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)過(guò)載停機(jī)、電源逆相、缺相保護(hù)、排氣高溫跳車、斷水保護(hù)、斷油保護(hù)、儲(chǔ)氣罐高溫保護(hù)、空氣過(guò)濾器堵塞報(bào)警、油過(guò)濾器堵塞報(bào)警、油細(xì)分離器堵塞報(bào)警等，離心機(jī)還具備各級(jí)排氣壓力、溫度、振動(dòng)、油壓等保護(hù)?，F(xiàn)場(chǎng)有保護(hù)模擬功能。并能發(fā)出聲光報(bào)警，提醒維護(hù)人員注意。

2.3 監(jiān)控信息層

PLC 控制柜上裝設(shè)有觸摸屏，方便用戶觀察壓風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行情況和現(xiàn)場(chǎng)操作等。控制柜通過(guò)以太網(wǎng)通訊模塊與調(diào)度信息中心的上位機(jī)進(jìn)行通訊。通過(guò)裝設(shè)在壓風(fēng)機(jī)房工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)壓風(fēng)機(jī)控制柜與上位機(jī)服務(wù)器的通訊，試驗(yàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

圖2 壓風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)具有歷史數(shù)據(jù)（故障報(bào)警）查詢功能，能夠查詢之前各類歷史數(shù)據(jù)及報(bào)警記錄。并具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，可以自動(dòng)統(tǒng)計(jì)每日、每月的用風(fēng)量、每臺(tái)空壓機(jī)每日、每周、每月運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)。

系統(tǒng)具有故障自診斷功能，能夠根據(jù)離心式空壓機(jī)冷卻器進(jìn)、出水壓差產(chǎn)生數(shù)據(jù)來(lái)判斷冷卻器芯堵塞程度，根據(jù)設(shè)定報(bào)警值，有效預(yù)防因高溫導(dǎo)致的跳車事故。

系統(tǒng)能夠自動(dòng)生成運(yùn)行參數(shù)的日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表及年報(bào)表，報(bào)表可打印。同時(shí)還具備事件打印功能。監(jiān)控軟件具有設(shè)備參數(shù)、運(yùn)行、檢修和維護(hù)的管理功能?？蓪?shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行，達(dá)到無(wú)人值守的目的。

系統(tǒng)具有視頻聯(lián)動(dòng)功能，利用OCX 控件可以在wincc 組態(tài)軟件中定義視頻攝像頭IP 地址，當(dāng)某一設(shè)備發(fā)生報(bào)警時(shí)能聯(lián)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的攝像頭畫面，保證維修人員第一時(shí)間了解現(xiàn)場(chǎng)狀況。

3 系統(tǒng)通訊方式

壓風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用了多種通訊方式進(jìn)行設(shè)備之間的通訊，這樣有利于設(shè)備間數(shù)據(jù)及時(shí)交互。實(shí)時(shí)共享各自需要的數(shù)據(jù)，并利用數(shù)據(jù)分析設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，提高了設(shè)備的安全性。

3.1 與螺桿式壓風(fēng)機(jī)通訊方式

壓風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與螺桿式壓風(fēng)機(jī)之間通訊采用MODBUS RTU 通訊協(xié)議方式，先通過(guò)螺桿式壓風(fēng)機(jī)操作面板上通訊參數(shù)設(shè)置，設(shè)置螺桿式壓風(fēng)機(jī)的地址號(hào)，地址號(hào)可設(shè)置為1～32。設(shè)備默認(rèn)通訊速度（波特率）9600.無(wú)校驗(yàn)位。連接線采用雙絞屏蔽線，同時(shí)雙絞屏蔽線的兩端都接地，以減少現(xiàn)場(chǎng)干擾。并增加了終端電阻Z0=120Ω，減少了反射干擾。通訊鏈接建立后，可以采集螺桿式壓風(fēng)機(jī)溫度，壓力，運(yùn)行時(shí)間、加載時(shí)間、故障報(bào)警等多種數(shù)據(jù)。如單獨(dú)布線不僅浪費(fèi)大量的傳感器。而且全部監(jiān)測(cè)量需24個(gè)數(shù)字量、16 個(gè)模擬量。需要至少3 個(gè)模塊采能采集，不僅占用大量有限資源，而且信息無(wú)法滿足監(jiān)測(cè)需要。利用MODBUS RTU 協(xié)議通訊正好解決了此類問(wèn)題，節(jié)省大量的資源。

3.2 與離心式壓風(fēng)機(jī)通訊方式

壓風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與離心式壓風(fēng)機(jī)之間通訊采用MODBUS TCP 通訊協(xié)議方式，通過(guò)離心式壓風(fēng)機(jī)操作面板設(shè)置IP 地址等參數(shù)。利用網(wǎng)線接入工業(yè)環(huán)網(wǎng)，PLC 利用離心機(jī)的MODBUS TCP 通訊協(xié)議在環(huán)網(wǎng)上讀取離心機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)。既滿足了數(shù)據(jù)通訊的需要，又簡(jiǎn)化了接線方式。

圖3 余熱利用監(jiān)控系統(tǒng)

3.3 與余熱利用系統(tǒng)通訊方式

壓風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與余熱利用系統(tǒng)通訊采用profibus 通訊，利用博圖自帶的通訊功能塊FC5 和FC6 成功對(duì)需要收發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換傳輸，系統(tǒng)成功調(diào)用了余熱利用系統(tǒng)中的冷卻水溫度、冷卻水流量等重要數(shù)據(jù)，為設(shè)置壓風(fēng)機(jī)斷水保護(hù)提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)也節(jié)省了大量資源。

3.4 與高、低壓供電系統(tǒng)通訊方式

我們先安裝了1 臺(tái)南京南瑞繼保有限公司的PCS9799 遠(yuǎn)動(dòng)通訊機(jī)對(duì)高低壓供電系統(tǒng)進(jìn)行相互數(shù)據(jù)交換，然后遠(yuǎn)動(dòng)通訊機(jī)利用IEC61850 規(guī)約進(jìn)行數(shù)據(jù)上送。壓風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與高、低壓供電系統(tǒng)采用MODBUS TCP 通訊協(xié)議，通過(guò)博圖軟件內(nèi)部的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通訊塊進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取及數(shù)據(jù)的處理。

4 系統(tǒng)運(yùn)行效果分析

壓風(fēng)機(jī)全自動(dòng)運(yùn)行方式下，壓風(fēng)機(jī)房不再設(shè)置崗位工人，由集控室值班人員負(fù)責(zé)壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)，由地面維修人員負(fù)責(zé)定時(shí)到壓風(fēng)機(jī)房巡檢，每天減少固定崗位人員2 人。實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，運(yùn)行后及時(shí)發(fā)現(xiàn)一次螺桿式壓風(fēng)機(jī)電機(jī)后軸超溫故障，系統(tǒng)自行進(jìn)行壓風(fēng)機(jī)的切換并報(bào)警，避免了電機(jī)燒毀等嚴(yán)重后果。系統(tǒng)運(yùn)行至今，整體安全可靠。

5 結(jié) 論

礦井壓風(fēng)機(jī)自動(dòng)監(jiān)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了西門子S7-1200 系列PLC 為監(jiān)控核心，利用MODBUS 通訊協(xié)議對(duì)離心機(jī)、9 臺(tái)螺桿機(jī)、高低壓供電系統(tǒng)以及余熱利用監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。可以根據(jù)供氣壓力自動(dòng)控制網(wǎng)內(nèi)空壓機(jī)的啟停、并具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、故障診斷、數(shù)據(jù)管理、圖表輸出、信息查詢、安全授權(quán)管理、Web 發(fā)布等功能。利用先進(jìn)的通訊方式節(jié)約了大量資金，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空壓機(jī)機(jī)組的優(yōu)化調(diào)度和運(yùn)行，達(dá)到無(wú)人值守，并實(shí)現(xiàn)了各個(gè)設(shè)備之間數(shù)據(jù)的共享。為控制系統(tǒng)的故障判斷提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐，最大限度發(fā)揮空壓機(jī)的運(yùn)行效率，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。并利用視頻聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，最大限度的保證礦井壓風(fēng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。