壓風(fēng)機(jī)自動化技術(shù)改造

李廷杰，侯志會

（焦煤公司趙固一礦，河南焦作 454000）

壓縮空氣作為煤礦常用的一種動力源，主要應(yīng)用于驅(qū)動氣缸、風(fēng)鎬、風(fēng)鉆、鑿巖機(jī)等氣動設(shè)備和壓風(fēng)自救裝置。作為壓縮空氣的制造者——空氣壓縮機(jī)就顯得尤為重要，它的安全可靠運(yùn)行直接關(guān)系到煤礦的生產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前趙固一礦西風(fēng)井壓風(fēng)機(jī)房已安裝4 臺MM250型螺桿式空壓機(jī)，配套電機(jī)功率250 kW，電壓10 kV，壓風(fēng)機(jī)排氣量45 m3/min，額定排氣壓力0.7 MPa；安設(shè)4個(gè)風(fēng)包，設(shè)計(jì)壓力1.0 MPa。管路上閘閥均為手動閘閥，冷卻方式為水冷，空氣壓縮設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定正常。

供電系統(tǒng)：MM250型螺桿式空壓機(jī)采用KYN28-12高壓配電柜直接啟動，高壓配電室內(nèi)配置2臺進(jìn)線柜、4臺出線柜、2臺PT 柜。

壓風(fēng)機(jī)房系統(tǒng)現(xiàn)狀如圖1所示。

圖1 壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)狀

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范及依據(jù)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范及依據(jù)包括：《煤礦安全規(guī)程》、《煤礦監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)規(guī)范》、《煤礦信號設(shè)備通用技術(shù)條件》MT287-92、《爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備通用要求》GB3836.1-2010、《煤礦通信、檢測、控制用電工電子產(chǎn)品通用技術(shù)要求》MT209-1990、《可編程邏輯控制器編程語言標(biāo)準(zhǔn)》IEC61131-3、《可編程序控制器》GB/T15969.8-2007、《工業(yè)電視系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50115-2009、《視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50395-2007。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

（1）安全性。充分考慮系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的安全性。系統(tǒng)具有較強(qiáng)的身份認(rèn)證、授權(quán)、加密等機(jī)制、完善全面的事件日志、數(shù)據(jù)備份和病毒防護(hù)功能。

（2）先進(jìn)性。充分利用飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)和自動化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，全面準(zhǔn)確地體現(xiàn)用戶的管理思想及操作方式，建立一個(gè)符合標(biāo)準(zhǔn)的、開放的、易管理的自動控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

（3）開放性。要在符合通用標(biāo)準(zhǔn)的前提下，系統(tǒng)提供以太網(wǎng)或OPC 接口，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最大限度的信息共享。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展。

（4）實(shí)用性。系統(tǒng)具有靈活、可靠的控制功能，簡單實(shí)用，易于掌握，人機(jī)界面友好，程序參數(shù)可以方便修改；具有自診斷功能，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理及顯示功能；采集到的數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)庫中，可以方便地查詢。利用信息融合技術(shù)、故障診斷技術(shù)等技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對設(shè)備故障進(jìn)行早期預(yù)報(bào)，提供故障診斷信息，提高生產(chǎn)效率，保障設(shè)備安全運(yùn)行。

（5）可靠性。在硬件選型、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、支撐環(huán)境、應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)過程中，充分體現(xiàn)這一原則，保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠、故障率低、維護(hù)方便、修改靈活。

（6）經(jīng)濟(jì)性。在一定的資金資源上，盡量有效地運(yùn)行利用，以適當(dāng)?shù)耐度虢⒁粋€(gè)高水平的、完善的自動化控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，所有設(shè)備的選型配置堅(jiān)持性價(jià)比最優(yōu)的原則。

4 系統(tǒng)特色

4.1 數(shù)據(jù)在線監(jiān)測功能

系統(tǒng)配置有相應(yīng)的前端感知設(shè)備和后臺智能軟件分析服務(wù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對壓風(fēng)系統(tǒng)通訊狀態(tài)、故障狀態(tài)、閥門開閉狀態(tài)、風(fēng)壓等電力參數(shù)的在線監(jiān)測，達(dá)到對壓風(fēng)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)的全面采集與監(jiān)測，符合《煤礦設(shè)備重大設(shè)備感知接入細(xì)則》對數(shù)據(jù)監(jiān)測類型的要求，以及滿足各地智能壓風(fēng)系統(tǒng)的政策要求。

4.2 一鍵啟動、自動輪換、一鍵倒機(jī)

系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對壓風(fēng)機(jī)、冷卻水泵的一鍵啟動，自動輪換、故障自動倒機(jī)、定時(shí)自動倒機(jī)和一鍵倒機(jī)等功能。系統(tǒng)具有根據(jù)風(fēng)壓的需求投入或退出壓風(fēng)機(jī)的開機(jī)臺數(shù)，實(shí)現(xiàn)恒壓自動調(diào)風(fēng)，風(fēng)包具有定期排污功能。

4.3 故障分析診斷與預(yù)警、告警

系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測壓風(fēng)系統(tǒng)的壓力、溫度、振動、電壓、電流等數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)生異常，經(jīng)檢測診斷后，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確分析與診斷故障發(fā)生原因、時(shí)間、類型與地點(diǎn)，在上位機(jī)同步發(fā)出語音與文字告警。

4.4 視頻一體化控制

控制系統(tǒng)中配置半球形網(wǎng)絡(luò)攝像儀，通過控制中心上位機(jī)調(diào)用攝像儀控件，對壓風(fēng)機(jī)房和配電室各監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行水平0°～355°旋轉(zhuǎn)，垂直方向0°～75°視頻巡航監(jiān)視，方便調(diào)度中心實(shí)時(shí)監(jiān)視整個(gè)壓風(fēng)機(jī)房和配電室的圖像畫面，更快速全面的了解壓風(fēng)設(shè)備運(yùn)行情況，真正保證和實(shí)現(xiàn)無人值守。

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

5.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)組成

固一礦西風(fēng)井壓風(fēng)機(jī)自動化集控系統(tǒng)主要由以下三部分組成：調(diào)度室遠(yuǎn)程監(jiān)控站、工業(yè)以太網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)、壓風(fēng)機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)。

遠(yuǎn)程監(jiān)控站一般設(shè)置在調(diào)度中心，設(shè)置操控站，通過操控站對壓風(fēng)機(jī)房相關(guān)設(shè)備進(jìn)行集控和監(jiān)視。遠(yuǎn)程監(jiān)控站是以高性能工控機(jī)為平臺，通過該平臺上的壓風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控軟件完成控制器的參數(shù)和命令的傳達(dá)，是人機(jī)交互的核心；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，并以圖形、報(bào)表、曲線等形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、分析和展示；擔(dān)負(fù)著系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)測、維護(hù)、故障分析及預(yù)警以及命令的執(zhí)行等任務(wù)。

工業(yè)以太網(wǎng)是系統(tǒng)各部分相互通信的基礎(chǔ)，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，從壓風(fēng)機(jī)房到調(diào)度中心敷設(shè)通信光纜，與工業(yè)級交換機(jī)組成工業(yè)以太網(wǎng)。

壓風(fēng)機(jī)房就地監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控站和網(wǎng)絡(luò)分布系統(tǒng)等通過以太網(wǎng)平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，相互傳遞數(shù)據(jù)。

壓風(fēng)機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)主要由位于壓風(fēng)機(jī)房內(nèi)的就地監(jiān)控站（工控機(jī)）、可編程邏輯控制系統(tǒng)、位于現(xiàn)場的電動閥門、壓力傳感器、液位傳感器、溫度傳感器、振動傳感器、渦街流量計(jì)、電力采集模塊等組成。

5.2 壓風(fēng)機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過在壓風(fēng)機(jī)房配置的一套可編程邏輯控制器，采集系統(tǒng)所配置各類傳感器的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)壓風(fēng)機(jī)壓縮空氣壓力、溫度、流量，壓風(fēng)機(jī)冷卻水系統(tǒng)的壓力、液位和溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過配置的電力采集模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測壓風(fēng)機(jī)的電壓、電流、功率等電力參數(shù)；同時(shí)實(shí)現(xiàn)壓風(fēng)機(jī)、冷卻水泵和電動閥門的就地集中控制和遠(yuǎn)程控制。由控制器根據(jù)參數(shù)設(shè)置與傳感器實(shí)時(shí)數(shù)值進(jìn)行邏輯判斷，可實(shí)現(xiàn)多臺壓風(fēng)機(jī)、冷卻水泵定時(shí)自動倒機(jī)，故障自動倒機(jī)和一鍵倒機(jī)功能。

5.2.1 閥門及傳感器配置

（1）電動閥門。每臺壓風(fēng)機(jī)進(jìn)出水閘閥改為電動閘閥，實(shí)現(xiàn)冷卻水的自動控制；另外，每個(gè)氣罐的手動排污閥門改裝為電動閥門，實(shí)現(xiàn)定期自動排污。

（2）壓力。通過在每個(gè)氣罐上安裝一個(gè)壓力傳感器，測量每個(gè)氣罐的壓力變化；在主排氣管路配置壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)按壓力調(diào)節(jié)投入壓風(fēng)機(jī)的數(shù)量。在每臺壓風(fēng)機(jī)的冷卻進(jìn)水總管路安裝一個(gè)壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測冷卻水的壓力變化。

（3）溫度。通過在每個(gè)氣罐的出氣管路上安裝一個(gè)溫度傳感器，測量每個(gè)氣罐的溫度變化；在每臺壓風(fēng)機(jī)的冷卻水進(jìn)出水管路各安裝一個(gè)溫度傳感器，測量各臺壓風(fēng)機(jī)的冷卻水溫度。

（4）振動。在每臺壓風(fēng)機(jī)主電機(jī)上安裝振動傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測電機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動值。

（5）流量計(jì)。通過在主管路上安裝一個(gè)流量計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測管路的流量變化。

（6）液位。在冷卻水池里安兩個(gè)液位傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測冷卻水池的水位變化，并且液位傳感器具備就地顯示功能。

（7）電力參數(shù).電力參數(shù)指壓風(fēng)機(jī)配套電機(jī)工作時(shí)電流、電壓、功率、功率因數(shù)等。通過電力采集模塊與串口服務(wù)器，采集電機(jī)工作時(shí)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)能耗自動分析與計(jì)算功能。

5.2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)壓風(fēng)機(jī)集控系統(tǒng)，通過與壓風(fēng)機(jī)控制器預(yù)留的RS485或以太網(wǎng)接口通訊，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，同時(shí)通過壓風(fēng)機(jī)集控系統(tǒng)配置的以太網(wǎng)模塊接入工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，完成其與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)對壓風(fēng)機(jī)、電動閥門、傳感器的監(jiān)測和控制。

系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程自動控制、遠(yuǎn)程單機(jī)自動控制、遠(yuǎn)程單機(jī)手動控制、就地控制、檢修控制等操作模式。在正常運(yùn)行過程中，不管工作在何種工作方式，均可實(shí)時(shí)將壓風(fēng)機(jī)房現(xiàn)場的各種運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)通過通訊網(wǎng)絡(luò)傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控站，在上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)顯示。

5.2.3 故障保護(hù)

壓風(fēng)機(jī)容量較大，耗電量大，是煤礦重要的動力源，因此對壓風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)的安全性、可靠性要求較高，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)了全面的故障報(bào)警功能。①壓縮空氣溫度、壓力故障報(bào)警：通過配置溫度和壓力傳感器，采集壓縮氣體的溫度、壓力，與設(shè)定限值比較，并通過可編程控制器進(jìn)行邏輯判斷，實(shí)現(xiàn)壓風(fēng)機(jī)的加載、卸載、超限報(bào)警及故障停車，起到壓風(fēng)機(jī)超溫、超壓保護(hù)。②冷卻水溫度、壓力、液位故障報(bào)警：傳感器實(shí)時(shí)檢測冷卻水液位、壓力，可以在冷卻水水位過低，壓力過低、過高時(shí)報(bào)警提示，為壓風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行提供了有力保障。③電力參數(shù)故障報(bào)警：利用電力采集模塊采集壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行的電力參數(shù)，監(jiān)控壓風(fēng)機(jī)電流、電壓、功率等電氣參數(shù)，實(shí)現(xiàn)故障分析診斷和預(yù)警功能。④風(fēng)機(jī)壓力、溫度故障報(bào)警：通過與壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行通訊，采集壓風(fēng)機(jī)壓力、溫度，實(shí)現(xiàn)異常告警。

5.2.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)結(jié)合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)壓風(fēng)機(jī)房的無人值守。本視頻監(jiān)控系統(tǒng)配置一定數(shù)量的攝像儀，把整個(gè)壓風(fēng)機(jī)房以及配電室的圖像實(shí)時(shí)傳輸至調(diào)度中心，并能夠存儲錄像。

在壓風(fēng)機(jī)房和配電室各增加一臺網(wǎng)絡(luò)高清攝像儀，攝像儀通過網(wǎng)線就近接入PLC 柜內(nèi)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控；同時(shí)自動化控制系統(tǒng)軟件中嵌入視頻圖像，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)告警，上位機(jī)監(jiān)控畫面可自動彈出現(xiàn)場視頻圖像。實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)和視頻圖像的聯(lián)動控制。

6 系統(tǒng)功能

6.1 顯示功能與控制功能

系統(tǒng)操控軟件包含工藝流程圖總畫面，實(shí)時(shí)顯示整個(gè)壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)總體運(yùn)行情況和主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)時(shí)參數(shù)。具體有：①壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)工藝參數(shù)：氣體溫度、冷卻水溫度、氣體壓力、排氣管路流量，顯示風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，通訊狀態(tài)、電機(jī)的振動、閥門開閉狀態(tài)。②電力參數(shù)：壓風(fēng)機(jī)電壓、電流、功率等。系統(tǒng)可根據(jù)程序進(jìn)行邏輯判斷，具有壓風(fēng)機(jī)和冷卻水泵自動輪換運(yùn)行、故障自動倒機(jī)、定時(shí)自動倒機(jī)和一鍵倒機(jī)功能；具有風(fēng)包定期自動排污的功能；具有根據(jù)風(fēng)壓需求自動確定投入風(fēng)機(jī)的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)自動調(diào)風(fēng)。

6.2 參數(shù)設(shè)置與數(shù)據(jù)曲線查詢

用戶可以根據(jù)自己的系統(tǒng)運(yùn)行情況，設(shè)置系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，為系統(tǒng)運(yùn)行及報(bào)警提供依據(jù)。并且對于重要的系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并進(jìn)行存儲；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可生成實(shí)時(shí)曲線，歷史數(shù)據(jù)可生成歷史曲線，以供需要時(shí)及時(shí)查詢。

6.3 報(bào)表打印功能

系統(tǒng)具備報(bào)表生成、存儲、查詢、打印功能。可根據(jù)需要輸出包括設(shè)備工況運(yùn)行報(bào)表、故障報(bào)警實(shí)時(shí)報(bào)表以及設(shè)備操作報(bào)告和過程變量報(bào)告等，保證各種規(guī)范管理的需要。當(dāng)系統(tǒng)檢測到故障發(fā)生時(shí)，報(bào)警畫面自動彈出，提醒工作人員處理。系統(tǒng)具有基于采集到的大量工況數(shù)據(jù)分析的故障診斷及預(yù)警功能。

6.4 運(yùn)行記錄和操作記錄查詢

對于系統(tǒng)各設(shè)備的運(yùn)行情況和操作情況進(jìn)行記錄、存儲、查詢；有助于對系統(tǒng)運(yùn)行情況的分析。

6.5 通訊及對接功能

實(shí)時(shí)展示系統(tǒng)的通訊拓?fù)鋱D，即各設(shè)備的通訊在線狀態(tài)。具有與全礦工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)功能，能夠把壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的各項(xiàng)監(jiān)測參數(shù)、狀態(tài)、故障參數(shù)、故障記錄、報(bào)警情況等的數(shù)據(jù)傳輸?shù)矫旱V局域網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

接入煤礦智能化綜合管控平臺：硬件上通過壓風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)PLC 控制器的以太網(wǎng)接口，接入工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與綜合管控平臺數(shù)據(jù)的交互；軟件上，采用開放通用的OPC 方式對接，上位機(jī)整合到綜合管控平臺上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的提取和畫面的再開發(fā)。

7 結(jié)束語

系統(tǒng)通過與壓風(fēng)機(jī)通訊和配置三相電采集模塊，采集壓風(fēng)機(jī)電壓、電流、功率等的電力參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能耗自動分析和計(jì)算功能。系統(tǒng)web 發(fā)布功能，利用礦區(qū)已建設(shè)的辦公網(wǎng)絡(luò)，與該系統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對接，由此系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以web 的形式發(fā)布，辦公網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)用戶可以通過瀏覽器查看系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)壓風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享，便于領(lǐng)導(dǎo)層及時(shí)了解壓風(fēng)機(jī)房設(shè)備的運(yùn)行狀況，有助于系統(tǒng)的維護(hù)和管理。