空壓機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)及補(bǔ)壓補(bǔ)風(fēng)裝置的研究與應(yīng)用

趙德超

摘 要：目前，大平煤礦空壓機(jī)就地操作存在一些問題，風(fēng)壓不足，因此有必要改進(jìn)空壓機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)和自動(dòng)補(bǔ)壓補(bǔ)風(fēng)裝置。優(yōu)化空壓機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)和自動(dòng)補(bǔ)壓補(bǔ)風(fēng)裝置設(shè)計(jì)及其功能，有助于解決問題，實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測、自動(dòng)補(bǔ)壓補(bǔ)風(fēng)以及遠(yuǎn)程集中控制等功能。研究結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，提高了自動(dòng)化水平，達(dá)到無人值守的目的。

關(guān)鍵詞：空壓機(jī);自動(dòng)控制系統(tǒng);補(bǔ)壓補(bǔ)風(fēng);在線監(jiān)測;集中控制

中圖分類號：TH45文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）12-0084-03

Research and Application of Air Compressor Automatic Control

System and Compensation Air Compensation Device

ZHAO Dechao

（Daping Coal Mine of Zhengzhou Coal Industry （Group） Co.， Ltd.，Dengfeng Henan 452473）

Abstract： At present， there are some problems in the on-site operation of air compressors in Daping Coal Mine， and the air pressure is insufficient. Therefore， it is necessary to improve the automatic control system of the air compressor and the automatic pressure compensation device. Optimizing the design and function of the automatic control system of the air compressor and the automatic pressure compensation device will help solve the problem and realize the functions of real-time online monitoring of various parameters， automatic pressure compensation and remote centralized control. The research results show that the system runs stably and reliably， improves the level of automation， and achieves the goal of unattended operation.

Keywords： air compressor;automatic control system;pressure compensation;online monitoring;centralized controll

空氣壓縮機(jī)（簡稱空壓機(jī)）是礦山所采用的原動(dòng)力之一，它的任務(wù)就是安全、經(jīng)濟(jì)、可靠地產(chǎn)生足夠數(shù)量和壓力的空氣，然后用管道把壓縮空氣送入井下，沿大巷，上、下山到采掘工作面，帶動(dòng)風(fēng)動(dòng)工具工作。空壓機(jī)的控制方式是現(xiàn)場單臺啟停操作，這樣不僅消耗大量的人力和物力，而且不能保證自身的供風(fēng)能力、供風(fēng)時(shí)間和供風(fēng)質(zhì)量，缺少對主要技術(shù)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和安全保護(hù)。這樣就不利于對空壓機(jī)的維護(hù)管理，同時(shí)加大了操作維護(hù)人員的工作量，對空壓機(jī)的使用壽命也有很大的影響[1]。因此，要保證空壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性、安全性，提高空壓機(jī)的效率和安全運(yùn)轉(zhuǎn)水平。目前主要應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)將多臺設(shè)備并網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)參數(shù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測和遠(yuǎn)程集中控制功能，以保證各種保護(hù)有效可靠，減少工作量，提高生產(chǎn)效率，改善工人工作環(huán)境，延長使用壽命，做好空壓機(jī)維護(hù)，達(dá)到無人值守的目的[2]。

1 概述

大平煤礦地面壓風(fēng)系統(tǒng)配備4臺螺桿式空壓機(jī)，電動(dòng)機(jī)功率為355 kW，2臺額定風(fēng)壓為0.8 MPa，另外2臺額定風(fēng)壓為1.25 MPa，運(yùn)行時(shí)壓力設(shè)定值為0.5～0.6 MPa。

空壓機(jī)采用現(xiàn)場單臺啟停操作的控制方式，人工定時(shí)巡查設(shè)備并記錄數(shù)據(jù)。冷卻循環(huán)水進(jìn)出閥門、水泵閥門為老式閘閥，操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且使用壽命短，未實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控和無人值守控制。但是，供風(fēng)不穩(wěn)定，隨著礦井向縱深開采，供風(fēng)距離延長，運(yùn)行1臺空壓機(jī)時(shí)，低壓風(fēng)量不能滿足現(xiàn)狀，高壓風(fēng)常處于卸載狀態(tài)，高、低壓風(fēng)量失衡。由于空壓機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行效率低，因此空載運(yùn)行浪費(fèi)電能，設(shè)備磨損大，運(yùn)行成本較高?？諌簷C(jī)頻繁啟停，導(dǎo)致使用壽命縮短，增加維護(hù)成本和工作量?！睹旱V安全規(guī)程》對空壓機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)有明確的規(guī)定，人們需要對其進(jìn)行自動(dòng)化改造，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)及補(bǔ)壓補(bǔ)風(fēng)裝置各種參數(shù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測、自動(dòng)補(bǔ)壓補(bǔ)風(fēng)以及遠(yuǎn)程集中控制，降低事故發(fā)生率，達(dá)到管控一體化目的[3-4]。

2 技術(shù)方案的確定及實(shí)施

2.1 空壓機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)方案的確定

該系統(tǒng)確定采用西門子S7-300作為監(jiān)控的中央處理器（CPU），采用研華工控機(jī)作為監(jiān)控上位機(jī)。通信采用工業(yè)以太網(wǎng)及現(xiàn)場總線技術(shù)，配以專用軟件，控制各種參數(shù)、位置及開關(guān)量的采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)房的無人值守功能。

2.2 空壓機(jī)自動(dòng)補(bǔ)壓補(bǔ)風(fēng)裝置方案的確定

針對高、低壓風(fēng)量失衡的現(xiàn)狀，將平地兩趟高壓風(fēng)管路和兩趟低壓風(fēng)管路通過電動(dòng)閥門并聯(lián)，在低壓風(fēng)管內(nèi)安裝壓力變送器，將模擬信號轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號，通過繼電器控制電動(dòng)閥門的開和關(guān)來實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的補(bǔ)償，從而減少空壓機(jī)的運(yùn)行臺數(shù)，降低井下供風(fēng)系統(tǒng)的用電量。

3 空壓機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)

空壓機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件主要包括可編程邏輯控制器（PLC）控制柜、研華27寸工控上位機(jī)、就地操作箱、電動(dòng)閘閥、壓力傳感器、溫度傳感器及高清攝像頭等設(shè)備。

3.1 PLC控制柜

PLC控制柜采用西門子S7-300作為監(jiān)控CPU，用于集中控制空壓機(jī)的加載、啟動(dòng)、卸載、停止、一鍵倒機(jī)及故障停機(jī)等功能，實(shí)現(xiàn)對空壓機(jī)各運(yùn)行參數(shù)的在線監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)水泵、閘閥、球閥和風(fēng)扇等設(shè)備的啟動(dòng)、停止等控制功能，并實(shí)現(xiàn)對上述設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的采集。PLC控制柜內(nèi)安裝有交換機(jī)，能通過環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。上位機(jī)操作臺安裝有小型交換機(jī)，共有6個(gè)網(wǎng)口、2個(gè)電口。現(xiàn)場數(shù)據(jù)可通過該交換機(jī)進(jìn)入環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享?？諌簷C(jī)數(shù)據(jù)和高壓柜數(shù)據(jù)通過Modbus模塊進(jìn)入PLC CPU處理器。

3.2 就地操作箱

就地操作箱安裝在泵房中，可以實(shí)現(xiàn)對水泵、閘閥等設(shè)備的現(xiàn)場操作，如水泵的啟停、閘閥的開關(guān)等操作。就地操作箱上安裝有指示燈，可以顯示各設(shè)備狀態(tài)，如水泵的運(yùn)行、停止和故障以及閘閥的開關(guān)到位等。

3.3 電動(dòng)閘閥、壓力傳感器

空壓機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)采用常州蘭陵Z941H-16 DN80型礦用電動(dòng)閘閥，總計(jì)3臺。電動(dòng)閘閥額定電壓為380 V，額定電流為2.6 A，功率為0.75 kW;電動(dòng)閘閥可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作、閘閥現(xiàn)場電動(dòng)操作、閘閥遠(yuǎn)程電動(dòng)操作，從而保障閘閥的動(dòng)作，避免對現(xiàn)場產(chǎn)生不必要的影響。

壓力傳感器采用GPD6型壓差變送器。其中，負(fù)壓傳感器有3個(gè)，工作電壓為24 V，測量范圍為-100～400 kPa，輸出信號為4～20 mA;壓力變送器有1個(gè)，工作電壓為24 V，測量范圍為0～2.5 MPa，輸出信號為4～20 mA。

3.4 控制系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)采用研華工控上位機(jī)作為監(jiān)控上位機(jī)，采用專業(yè)軟件MCGS，通過上位機(jī)人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)對平地工業(yè)廣場空壓機(jī)系統(tǒng)的在線監(jiān)測及操作。系統(tǒng)上位機(jī)界面主要包括三部分，一是主畫面，二是系統(tǒng)集中控制和單機(jī)控制畫面，三是空壓機(jī)監(jiān)測、報(bào)表、趨勢曲線及報(bào)警設(shè)置畫面。操作員可在監(jiān)控中心對4臺空壓機(jī)進(jìn)行單機(jī)手動(dòng)控制和聯(lián)機(jī)自動(dòng)控制。

3.5 補(bǔ)壓補(bǔ)風(fēng)裝置的設(shè)計(jì)

大平煤礦井下高、低壓風(fēng)由兩趟不同管路向井下供應(yīng)，補(bǔ)壓補(bǔ)風(fēng)裝置將不同風(fēng)壓的供風(fēng)管路連接起來，用壓力傳感器檢測相應(yīng)的風(fēng)壓，利用電動(dòng)閥門的閉合、斷開來實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的補(bǔ)償。

3.5.1 自動(dòng)控制。將轉(zhuǎn)換開關(guān)扭轉(zhuǎn)到自動(dòng)狀態(tài)，壓力傳感器檢測到低壓管路風(fēng)壓設(shè)定的下限值時(shí)，J2繼電器得電，常開點(diǎn)閉合，閥位顯示器檢測的信號是關(guān)到位，J3繼電器的常閉點(diǎn)處于閉合狀態(tài)，F(xiàn)C繼電器得電，控制電動(dòng)閥門的電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，電動(dòng)閥門自動(dòng)打開。當(dāng)閥位傳感器檢測到開到位時(shí)，J3繼電器得電，其常閉點(diǎn)斷開，F(xiàn)C繼電器斷電，此時(shí)，高壓風(fēng)向低壓風(fēng)管路內(nèi)補(bǔ)償風(fēng)量。同理，當(dāng)檢測到低壓管路風(fēng)壓高于設(shè)定的上限值時(shí)，J1繼電器得電，最終實(shí)現(xiàn)電動(dòng)閥門關(guān)閉，停止高壓風(fēng)對低壓風(fēng)的補(bǔ)償[5]。電氣控制原理如圖1所示。

3.5.2 手動(dòng)控制。當(dāng)發(fā)現(xiàn)低壓風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)壓較低時(shí)，將轉(zhuǎn)換開關(guān)調(diào)整到手動(dòng)狀態(tài)，按下SB2按鈕，待電動(dòng)閥門開到位，松開按鈕即可[6]。

3.6 主要功能

一是可實(shí)現(xiàn)就地手動(dòng)操作、上位機(jī)+觸摸屏監(jiān)控和多臺空壓機(jī)及相關(guān)冷卻和管路系統(tǒng)閥門的自動(dòng)聯(lián)動(dòng)控制，按程序執(zhí)行啟動(dòng)/停止空壓機(jī)操作，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化運(yùn)行，無人值守[7]。二是正常供風(fēng)時(shí)開動(dòng)1臺空壓機(jī)，當(dāng)風(fēng)壓低于0.5 MPa時(shí)，自動(dòng)加載，若壓力低于0.45 MPa，則高壓風(fēng)自動(dòng)向低壓管路進(jìn)行補(bǔ)壓、補(bǔ)風(fēng);當(dāng)風(fēng)壓達(dá)到0.55 MPa時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止補(bǔ)壓、補(bǔ)風(fēng)，它可以按現(xiàn)場需要自動(dòng)啟停空壓機(jī)[8]。三是實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)及冷卻水泵自動(dòng)輪換功能。四是完成各種參數(shù)連續(xù)在線監(jiān)測功能，并提供空壓機(jī)控制信號和風(fēng)機(jī)與風(fēng)網(wǎng)的正常匹配。五是具有完備的保護(hù)及報(bào)警顯示功能，發(fā)生安全保護(hù)動(dòng)作時(shí)能切換到報(bào)警窗口。六是上位機(jī)可實(shí)時(shí)顯示壓風(fēng)機(jī)風(fēng)量故障曲線和歷史曲線。七是具備生成各種報(bào)表和事件打印功能。

4 關(guān)鍵技術(shù)

一是實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測功能。二是提高了系統(tǒng)自動(dòng)化程度和運(yùn)行可靠性，始終使空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。三是自行設(shè)計(jì)高、低壓風(fēng)管路補(bǔ)壓補(bǔ)風(fēng)裝置并安裝，與空壓機(jī)自動(dòng)控制對接，滿足礦井的供風(fēng)需求。

5 應(yīng)用效果及效益分析

5.1 應(yīng)用效果

空壓機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)及補(bǔ)壓補(bǔ)風(fēng)裝置的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了從專人值守到自動(dòng)運(yùn)作的轉(zhuǎn)變，減少了崗位用工，降低了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)提高了礦井安全生產(chǎn)水平和管理效率，為節(jié)支降耗、開源節(jié)流開辟了新的途徑，使用效果良好。

5.2 效益分析

5.2.1 經(jīng)濟(jì)效益?？諌簷C(jī)使用自動(dòng)控制系統(tǒng)及補(bǔ)壓補(bǔ)風(fēng)裝置，有效提高了空壓機(jī)機(jī)組各部件的使用效率及使用壽命。自動(dòng)化監(jiān)控裝置能直觀全面地掌握設(shè)備運(yùn)行狀況，未使用補(bǔ)壓補(bǔ)風(fēng)裝置前，井下用風(fēng)高峰期，每天需要另外開1臺空壓機(jī)來補(bǔ)充風(fēng)量2 h左右，使用補(bǔ)壓補(bǔ)風(fēng)裝置后，不需要另外開空壓機(jī)來補(bǔ)充風(fēng)量?？諌簷C(jī)電動(dòng)機(jī)功率為355 kW，每天減少運(yùn)行時(shí)間2 h，電費(fèi)平均按0.75元/（kW·h）單價(jià)折合，通過計(jì)算，每月可節(jié)約電費(fèi)（355×2×30）×0.75=15 975元。由于簡化了操作，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，有效地減少了設(shè)備維護(hù)費(fèi)用和人工費(fèi)用，每月可節(jié)約維修費(fèi)用12 000元、人工費(fèi)用11 400元（減少崗位工3人，每人平均月工資3 800元），全年可節(jié)約費(fèi)用（15 975+12 000+11 400）×12=472 500元。

5.2.2 社會效益。從空壓機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)及補(bǔ)壓補(bǔ)風(fēng)裝置投入情況來看，該系統(tǒng)和補(bǔ)壓補(bǔ)風(fēng)裝置運(yùn)行可靠，滿足了井下用風(fēng)量的需求，保證了礦井安全生產(chǎn)。其維護(hù)方便，監(jiān)控過程直觀明了，不但減少了設(shè)備維護(hù)量，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，而且減小了空載運(yùn)行時(shí)問，降低了工序能耗，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗的目的。

6 結(jié)語

空壓機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)及補(bǔ)壓補(bǔ)風(fēng)裝置實(shí)現(xiàn)了各種參數(shù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測、自動(dòng)補(bǔ)壓補(bǔ)風(fēng)以及遠(yuǎn)程集中控制等功能，出現(xiàn)故障停機(jī)后，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)倒機(jī)運(yùn)行功能，最大限度地保證了動(dòng)力用風(fēng)的安全和不間斷供應(yīng)。系統(tǒng)維護(hù)方便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，降低了空壓機(jī)耗電量和機(jī)械磨損，提高了經(jīng)濟(jì)效益，減少了崗位用工，改善了工人工作環(huán)境，降低了事故發(fā)生率，延長了空壓機(jī)使用壽命，達(dá)到無人值守的目的。

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