礦井空氣壓縮機(jī)智能監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)升級設(shè)計及應(yīng)用

張生晨

（汾西礦業(yè)集團(tuán)柳灣煤礦，山西 孝義 032300）

空氣壓縮機(jī)是礦井重要的動力設(shè)備，是礦井的原動力之一，用來向風(fēng)鉆、風(fēng)鎬等風(fēng)動工具輸送高壓氣體，從而驅(qū)動設(shè)備工作。其最大應(yīng)用優(yōu)勢是能夠驅(qū)動空氣、無觸電危險、不產(chǎn)生火花，能夠適用于高濕度、高溫度、多粉塵的井下工作環(huán)境，在我國井工煤礦中得到了廣泛應(yīng)用。但是，由于部分礦井空氣壓縮機(jī)服務(wù)年限較長，存在不同程度的效率低、能耗大、自動化程度低、故障率高等問題，更為突出的是低負(fù)荷或空負(fù)荷運轉(zhuǎn)的比例過高，導(dǎo)致電能浪費，運行成本較高。然而由于空氣壓縮機(jī)配套的附屬設(shè)施、管路較為復(fù)雜，更新?lián)Q代的難度較大[1-4]，因此應(yīng)對礦井空氣壓縮機(jī)設(shè)計并安裝一套監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，對空氣壓縮機(jī)的運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，保障設(shè)備安全穩(wěn)定運行，并根據(jù)使用情況自動調(diào)整工作模式，減少能耗。

1 監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)功能要求

目前，我國使用的空氣壓縮機(jī)類型較多，按照結(jié)構(gòu)形式可分為活塞式、滑片式和螺桿式，按照冷卻方式可分為風(fēng)冷式和水冷式。某礦使用L5.5-40/8型空氣壓縮機(jī)為螺桿式雙缸復(fù)動水冷式空氣壓縮機(jī)，布置及使用方式為：工業(yè)廣場安裝4臺，3臺工作，1臺備用；東風(fēng)井安裝5臺，3臺工作，2臺備用；-600井下壓風(fēng)機(jī)房安裝4臺，3臺工作，1臺備用，三個壓風(fēng)機(jī)站共13臺空壓機(jī)并網(wǎng)工作。L5.5-40/8型空氣壓縮機(jī)的工作機(jī)構(gòu)主要包括壓縮部、操作部、傳動部、潤滑部、冷卻部等，主體結(jié)構(gòu)包括橡膠聯(lián)軸器、傳動齒輪、陽螺桿、陰螺桿及各部軸承，如圖1所示。

結(jié)合該礦井空氣壓縮機(jī)的使用情況，針對L5.5-40/8型空氣壓縮機(jī)設(shè)計監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。為滿足安全生產(chǎn)要求，所設(shè)計的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)需具備以下功能[5-6]：

圖1 L5.5-40/8型空氣壓縮機(jī)主體結(jié)構(gòu)示意圖

1）首位功能是能夠?qū)諝鈮嚎s機(jī)的運行情況進(jìn)行實時監(jiān)控，及時捕獲、存儲、分析相關(guān)數(shù)據(jù)，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行；

2）關(guān)鍵功能是保障安全功能，即對空氣壓縮機(jī)運行過程中出現(xiàn)的各類故障進(jìn)行識別并及時預(yù)警，對故障處置提供參考，并能夠緊急停機(jī)；

3）可實施變頻控制與監(jiān)控系統(tǒng)一體化改造，以降低能耗，提高設(shè)備運行效率；

4）良好的人機(jī)交互功能，即通過控制中心的人機(jī)交互程序，能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)控、人工干預(yù)、參數(shù)調(diào)整、歷史數(shù)據(jù)分析等功能。

2 智能監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)方案的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)的設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和相關(guān)設(shè)計原則，系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控及下位機(jī)就地控制，在整體的通訊網(wǎng)絡(luò)中，上位機(jī)通過交換機(jī)對接可編程邏輯控制器即PLC，PLC再通過現(xiàn)場安裝的各類智能儀表和傳感器對空氣壓縮機(jī)的運行狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，實時地對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和傳遞，當(dāng)設(shè)備運行參數(shù)異常或發(fā)生故障時就會發(fā)出警報，并通過人機(jī)交互指示工作人員進(jìn)行故障處置。PLC還與空氣壓縮機(jī)的就地控制器建立聯(lián)系，此模塊保留了設(shè)備的就地操作功能，對系統(tǒng)運行起到雙保險作用。除此之外，系統(tǒng)的智能性還體現(xiàn)在設(shè)計增加了變頻器組，此模塊由PLC對風(fēng)壓用量需求進(jìn)行采集和分析，計算出空氣壓縮機(jī)所需的功率和機(jī)組數(shù)量，并持續(xù)將調(diào)節(jié)信號傳遞給空氣壓縮機(jī)組的變頻器組，從而實時調(diào)節(jié)機(jī)組運行參數(shù)，實現(xiàn)變頻降耗的功能。整個系統(tǒng)設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 智能監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)總體方案示意圖

2.2 系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議即網(wǎng)絡(luò)（包括互聯(lián)網(wǎng)）中傳遞、管理信息的一些規(guī)范。通訊網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計主要包括管理層網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計可采用不同協(xié)議，但必須具備良好的互通性。根據(jù)既定設(shè)計思路，管理層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計采用Ether Net/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，該協(xié)議模式比較常見，穩(wěn)定性較高，能夠適用于數(shù)據(jù)量較大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；而設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)因設(shè)備多、線路多，容易造成數(shù)據(jù)的干擾或阻塞，設(shè)計采用一個主站多個從站的架構(gòu)，通訊協(xié)議采用RS-485模式，該模式信息傳輸穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)，適用性較好。

2.3 系統(tǒng)硬件的設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)總體的設(shè)計思路，系統(tǒng)硬件設(shè)計基于核心的CPU225模塊，關(guān)鍵是PLC的選型設(shè)計，本系統(tǒng)基于礦井實際情況，選用通用公司GE型PLC，一是具備可靠的兼容性，二是具備極高的穩(wěn)定性。硬件系統(tǒng)，一是對接溫度、流量、壓力等傳感器，二是對接電源模塊、檢測模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，三是對接顯示和操作系統(tǒng)模塊，實現(xiàn)人機(jī)交互，硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

除了硬件設(shè)計，本系統(tǒng)的重點環(huán)節(jié)還涉及到變頻器的選擇，目前，礦井機(jī)電設(shè)備的變頻改造技術(shù)已逐漸趨于成熟，但如何選型至關(guān)重要。按照該礦井的具體生產(chǎn)條件和設(shè)備現(xiàn)狀，經(jīng)過綜合技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效益對比，設(shè)計選用ACS-510型變頻器組，對空氣壓縮機(jī)進(jìn)行變頻改造。

圖3 監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計示意圖

3 系統(tǒng)應(yīng)用情況分析

該礦井與有關(guān)科研院所對監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)、軟硬件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)布置等展開聯(lián)合研究，成功設(shè)計了一套基于L5.5-40/8型空氣壓縮機(jī)的智能監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，并在該礦井展開工業(yè)性試驗，經(jīng)過一段時間的安裝調(diào)試及運行，效果明顯。一是空氣壓縮機(jī)運行情況穩(wěn)定，壓力數(shù)據(jù)反饋平穩(wěn)，風(fēng)壓供給充足；二是節(jié)能效果充分顯現(xiàn)，實施變頻改造后，空氣壓縮機(jī)的運行功率和臺數(shù)根據(jù)實際風(fēng)壓需求量得到實時調(diào)整，最大限度降低了設(shè)備空轉(zhuǎn)或低負(fù)荷運轉(zhuǎn)的時間，減少了人工干預(yù)的停開機(jī)次數(shù)，降低了對電網(wǎng)的沖擊；三是減少了設(shè)備的無功損耗，能夠降低設(shè)備故障率，延長了設(shè)備使用壽命；四是人機(jī)交互性較好，便于操作，在設(shè)備發(fā)生故障時及時發(fā)出預(yù)警并提供處置方案，安全性高。

4 結(jié)語

隨著煤礦自動化和少人化作業(yè)需求的進(jìn)一步提升，對礦井設(shè)備更新?lián)Q代或改造升級的要求也隨之提高。如何在國家安全法律法規(guī)和行業(yè)規(guī)章制度的規(guī)范下對礦井各大系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化提升，同時實現(xiàn)最大的安全效益和技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益是科研技術(shù)人員的重點努力方向。