煤礦用空壓機(jī)智能群控節(jié)能控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

馮屯生

(山西潞安集團(tuán) 余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046000)

空壓機(jī)作為壓縮空氣的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于化工、礦山、冶金、電力、紡織等各種行業(yè)。隨著礦井生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展和裝備水平的不斷提高，高產(chǎn)高效綜合機(jī)械化采煤工作面不斷涌現(xiàn)，與其配套的多巷道同時掘進(jìn)采煤工藝得到了廣泛應(yīng)用，同時也對空壓機(jī)智能化控制提出了更高的要求。以余吾煤業(yè)空壓機(jī)為分析對象，盡管目前該礦井中空壓機(jī)設(shè)備采用了先進(jìn)的局部集成控制系統(tǒng)，但不能遠(yuǎn)程控制，而且沒有數(shù)據(jù)記錄和后臺分析管理功能，管理和調(diào)度人員無法及時了解空壓機(jī)的運(yùn)行狀況、能耗和能效情況，更無法在緊急狀態(tài)時對其進(jìn)行操控。

因此，研究智能群控節(jié)能系統(tǒng)，對空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行環(huán)境、能耗情況進(jìn)行實(shí)時、準(zhǔn)確地監(jiān)測，對促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效益有著重要意義。

1 余吾煤業(yè)空壓站現(xiàn)狀及存在問題分析

1.1 空壓站現(xiàn)狀分析

余吾煤業(yè)公司壓風(fēng)系統(tǒng)采用分區(qū)供風(fēng)方式，分為中央?yún)^(qū)，北風(fēng)井、南風(fēng)井壓風(fēng)系統(tǒng)。其中，北風(fēng)井空氣壓縮機(jī)站2010年完成安裝調(diào)試，配備2臺LS25S-300HAC型和3臺LS20-150HAC型空氣壓縮機(jī)。南風(fēng)井空氣壓縮機(jī)站2013年建設(shè)完成并投入使用，裝備5臺SA-250A-10KV型螺桿式空氣壓縮機(jī)，為南風(fēng)井采區(qū)服務(wù)。該礦井空壓機(jī)直接運(yùn)行成本統(tǒng)計結(jié)果見表1。結(jié)果顯示：隨著采掘延伸，空氣壓縮機(jī)運(yùn)行效率降低，維護(hù)費(fèi)用逐年遞增，運(yùn)行成本大幅增加。

表1 余吾煤業(yè)礦井空壓站直接運(yùn)行成本統(tǒng)計 單位:萬元

1.2 當(dāng)前存在問題分析

該煤礦空壓機(jī)存在較多問題，主要包括以下幾點(diǎn)：

1) 單臺螺桿空壓機(jī)效率偏低，能耗較高；

2) 螺桿空壓機(jī)加、卸載頻繁；

3) 空壓機(jī)管理不到位，維保不到位，費(fèi)用偏高；

4) 機(jī)器性能衰減嚴(yán)重，產(chǎn)氣量達(dá)不到設(shè)計要求；

5) 系統(tǒng)壓力設(shè)置偏高，波動較大；

6) 自動化水平低，不能按照生產(chǎn)需求及時調(diào)整供氣量；

7) 系統(tǒng)設(shè)計不合理，設(shè)備運(yùn)行難以優(yōu)化，缺少調(diào)節(jié)手段；

8) 設(shè)備管理層缺少有效的監(jiān)督手段；

9) 缺少有效的能耗監(jiān)測和能源管理手段。

造成螺桿空壓機(jī)效率下降、能耗高的因素有很多，如進(jìn)氣濾芯和油氣分離器堵塞等，而監(jiān)測進(jìn)氣負(fù)壓和油路壓差，則可避免上述原因造成的問題。

通過對該礦井中現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行測試可知，壓縮空氣需求變化較大且頻繁，造成壓力波動，運(yùn)行工需頻繁調(diào)整，勞動強(qiáng)度較大，采用空壓機(jī)智能群控節(jié)能控制系統(tǒng)的智能控制可改善此種狀況。監(jiān)控平臺運(yùn)行界面及限時流量如圖1、圖2所示。

圖1 現(xiàn)有礦井空壓站監(jiān)控平臺示意

圖2 現(xiàn)有礦井中空壓機(jī)限時流量運(yùn)行曲線圖

針對余吾煤業(yè)空壓站現(xiàn)狀，充分利用現(xiàn)在先進(jìn)的云端智能控制技術(shù)，通過對空壓機(jī)群云端監(jiān)控、智能控制技改后，大部分問題可通過空壓機(jī)智能群控節(jié)能系統(tǒng)解決。

2 空壓機(jī)智能群控節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 實(shí)施技術(shù)路線設(shè)計

控制系統(tǒng)通過軟硬件相結(jié)合監(jiān)測整個站房數(shù)據(jù)，通過采集設(shè)備的實(shí)時壓力、流量、功率、溫度、空油濾的壓差、軸承的溫度及保養(yǎng)后運(yùn)行時長等數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)問題，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析研究，通過模擬和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)來確定空壓機(jī)智能群控節(jié)能控制系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)、控制策略、參數(shù)設(shè)置、預(yù)警提醒等功能，使系統(tǒng)通過模糊運(yùn)算、智能研判，做出相應(yīng)的調(diào)整、優(yōu)化。實(shí)現(xiàn)設(shè)備最優(yōu)控制，使每臺設(shè)備都運(yùn)轉(zhuǎn)在最經(jīng)濟(jì)、高效的區(qū)間。

2.2 總體方案設(shè)計

節(jié)能控制系統(tǒng)主要由多組空壓機(jī)、流量計、電能表、攝像頭、工控電能、云平臺、云盒、PC或手機(jī)端等組成，系統(tǒng)至少能控制5組以上的空壓機(jī)，配套了5組流量計及電能表，可實(shí)現(xiàn)對空壓機(jī)消耗電量的控制及顯示。通過工控機(jī)采集各臺空壓機(jī)和儀器、儀表的數(shù)據(jù)。在空壓站內(nèi)安裝兩個攝像頭。通過安裝4G云盒模塊采集現(xiàn)場各種參數(shù)，控制指令上傳至云平臺進(jìn)行雙向傳輸。

通過此系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)對整個監(jiān)控站流量、實(shí)時功率、累計流量、累計電量等關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測及控制?？諌簷C(jī)智能群控節(jié)能控制系統(tǒng)框架圖如圖3所示。此系統(tǒng)具有控制精度高、數(shù)據(jù)采集實(shí)時準(zhǔn)確、節(jié)能效果好等特點(diǎn)，能滿足對空壓機(jī)的節(jié)能控制需求。

圖3 控制系統(tǒng)組成框架圖

2.3 集控系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1 工業(yè)電腦匹配設(shè)計

工業(yè)電腦是整個系統(tǒng)的控制中心。設(shè)計系統(tǒng)時，考慮在空壓站操作室安裝1臺工業(yè)計算機(jī)采集各臺空壓機(jī)和儀器儀表的數(shù)據(jù)。選用臺灣研華工控機(jī)，機(jī)箱型號為IPC-610-BTO，主板型號為AIMB-501G2-KSA2E(工業(yè)級母版)，CPU采用I5-2400，內(nèi)存設(shè)計為4G，硬盤為1 T，顯示器選用飛利浦的223V5L型，設(shè)置了10個串行通信接口(com1-com10)，2個以太網(wǎng)口。該工業(yè)電腦與整個系統(tǒng)進(jìn)行匹配應(yīng)用，能更好地實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的節(jié)能控制及顯示。

2.3.2 電能表匹配設(shè)計

為更好地掌握每臺空壓機(jī)的用電量，需給每臺空壓機(jī)匹配1臺具有通訊功能的電能表，型號為DSZ71-100V。由于本站選用的空壓機(jī)均選用10 kV的高壓電機(jī)，故將電能表安裝在每臺空壓機(jī)的高壓配電柜內(nèi)。將10 kV的高壓經(jīng)過電壓互感器和電流互感器轉(zhuǎn)換為100 V和0～5 A的電流接入電能表。同時，和上位機(jī)(工控機(jī))進(jìn)行通信連接，可監(jiān)測每臺空壓機(jī)的實(shí)時能耗及用電情況。

2.3.3 云盒及視頻攝像頭匹配設(shè)計

安裝4G模塊，將現(xiàn)場采集的各種參數(shù)和控制指令上傳至云平臺進(jìn)行雙向傳輸。在空壓站內(nèi)安裝兩個杭州?？低旵3WN攝像頭，在對各項數(shù)據(jù)監(jiān)控的同時做到對站內(nèi)的情況進(jìn)行實(shí)時視頻監(jiān)控可以在遠(yuǎn)端通過電腦端和手機(jī)端實(shí)時查看空壓站的情況。排除安全隱患，保障安全生產(chǎn)。

2.4 風(fēng)機(jī)空壓站匹配設(shè)計

空壓站中匹配了5臺參數(shù)一致的空壓機(jī)，型號為SA250A-10K螺桿空壓機(jī)，排氣量為42.0 m3/min，額定/最大排氣壓力：0.7/0.75 MPa，機(jī)組輸入比功率：6.2 kW/(m3/min)，電機(jī)功率為250 kW?？諌簷C(jī)采用日本三菱的FX2N-32MR PLC為控制核心，配有兩個模擬量輸入模塊，分別為FX2N-4AD和FX2N-4AD-TC，用于采集設(shè)備的壓力、溫度和電流信號。另外每臺空壓機(jī)還配有1個FX2N-485ADP通信模塊，用于和上位機(jī)485通信?？諌簷C(jī)有3種工作模式，分別是一般運(yùn)行、低用量運(yùn)行和自動運(yùn)行。

3 效果分析

為驗(yàn)證此節(jié)能控制系統(tǒng)的綜合性能，對實(shí)際應(yīng)用和相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)時監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果顯示：整個系統(tǒng)運(yùn)行正常，能實(shí)時、快速地監(jiān)測、顯示空壓機(jī)各類參數(shù)將相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行大數(shù)據(jù)匯總分析，實(shí)現(xiàn)了降本節(jié)能。據(jù)測算，在系統(tǒng)運(yùn)行時，通過監(jiān)測進(jìn)氣口負(fù)壓變化確定空氣濾芯清潔或更換時間、油濾芯和油氣分離器前后端的壓力變化確定檢修或更換時間，大幅度延長了維保耗材的使用壽命，減少了維保費(fèi)用。每臺空壓機(jī)每年可節(jié)省維保費(fèi)用1.2萬元左右，同比降低15%。此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的精益化管理，有效規(guī)避了設(shè)備運(yùn)行管理中的大部分不合理現(xiàn)象，每臺空壓機(jī)每年可節(jié)省10～25萬元電費(fèi)，同比降低了10%～25%.由于此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無人值守作業(yè)，顯著降低了工人的勞動強(qiáng)度，可節(jié)省40%的人工費(fèi)用。

此系統(tǒng)的成功應(yīng)用，不僅為企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益，也有效助力了智能化礦井的建設(shè)，實(shí)際應(yīng)用價值較大，具有推廣應(yīng)用價值。

4 結(jié) 語

為解決余吾煤業(yè)空壓機(jī)設(shè)備存在的問題，開展了空壓機(jī)智能群控節(jié)能控制系統(tǒng)的優(yōu)化升級設(shè)計研究。通過實(shí)際應(yīng)用效果分析得出：該系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，智能化程度高，為企業(yè)節(jié)約了將近15%的維保費(fèi)用、40%的值守人工費(fèi)用、10%～25%的電費(fèi)，有效助力了智能化礦井的建設(shè)，值得推廣。