礦用空壓機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)測及智能聯(lián)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

夏 坤

（山西潞安集團(tuán)左權(quán)阜生煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032600）

引言

空氣壓縮機(jī)（簡稱空壓機(jī)）作為礦井作業(yè)過程中的重要動力設(shè)備，其作用主要是將空氣壓縮至一定壓力后，為風(fēng)鎬和風(fēng)鉆等設(shè)備提供動力。空壓機(jī)在實(shí)際礦井作業(yè)過程中，常出現(xiàn)耗電量大、出口氣體或溫度過高等現(xiàn)象。因此，為了降低耗電量，確保管路壓力的穩(wěn)定性，本文采用先進(jìn)的傳感器及數(shù)據(jù)處理技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)的智能聯(lián)動控制[1]。

1 空壓機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

單螺桿空壓機(jī)主要由主機(jī)和輔機(jī)兩部分構(gòu)成，主機(jī)包括螺桿空壓機(jī)主機(jī)及主電機(jī)，輔機(jī)包括進(jìn)排氣系統(tǒng)、油氣分離系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及電氣控制部分組成，如圖1 所示。

圖1 單螺桿空壓機(jī)主要結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，為單螺桿空壓機(jī)的工作原理圖，其作業(yè)流程分為吸氣、壓縮及排氣三個過程。吸氣過程螺桿螺槽在星輪齒尚未嚙入前與吸氣腔相通，處于吸氣狀態(tài)，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)到一定位置，星輪齒將螺槽封閉，此時吸氣過程結(jié)束[2]；壓縮過程即吸氣過程結(jié)束后，螺桿繼續(xù)轉(zhuǎn)動，隨著星輪齒沿著螺槽推進(jìn)，封閉的工作容積逐漸減小，實(shí)現(xiàn)氣體的壓縮過程，當(dāng)工作容積與排氣孔口連通時，壓縮過程結(jié)束；排氣過程即工作容積與排氣孔口通后，螺桿繼續(xù)轉(zhuǎn)動，被壓縮氣體由排氣孔口輸送至排氣管道直至星輪齒脫離螺槽為止。

2 空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測及智能聯(lián)動控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

智能聯(lián)動控制即實(shí)現(xiàn)3 臺空壓機(jī)之間的智能聯(lián)動控制，從而依據(jù)設(shè)備的作業(yè)狀況實(shí)時精準(zhǔn)控制所有設(shè)備的運(yùn)行狀況。空壓機(jī)的控制主要表現(xiàn)為啟停設(shè)備、加載卸載控制及啟動空壓機(jī)數(shù)量等。對空壓機(jī)進(jìn)行在線監(jiān)測是保障智能聯(lián)動控制功能實(shí)現(xiàn)的前提，監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)PLC 控制器進(jìn)行分析處理后，再通過工業(yè)以太網(wǎng)、MODBUS 通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，從而使顯示、記錄、故障報(bào)警等功能得以實(shí)現(xiàn)[3]。

綜合智能聯(lián)動控制系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)分為上、中、下三個層次，分別為數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測存儲與預(yù)警層、數(shù)據(jù)通信及信號傳輸層、數(shù)據(jù)檢測采集與控制層。

數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測存儲與預(yù)警層即上層的功能主要為數(shù)據(jù)顯示和存儲、曲線查詢、超限預(yù)警等；數(shù)據(jù)通信及信號傳輸層即中層包含以太網(wǎng)和RS485 總線模塊等；數(shù)據(jù)檢測采集與控制層即下層的功能為通過電參數(shù)采集模塊和傳感器檢測模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與控制。

3 空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的硬件選型

考慮到空壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能，本文的硬件選型設(shè)計(jì)對象主要為相關(guān)傳感器和核心PLC 控制器。

如表1 所示，參考空壓機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測項(xiàng)目，確定了空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)傳感器的具體選型結(jié)構(gòu)，其將傳感器設(shè)備分為溫度、壓力、振動傳感器。

表1 空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)傳感器的選型

遠(yuǎn)程監(jiān)測和智能聯(lián)動控制實(shí)現(xiàn)的核心在于PLC控制器，本文采用的是S7-200 226CN 型PLC 控制器，其具有可靠性高、響應(yīng)速度較好的優(yōu)點(diǎn)。該型號的PLC 控制器具有26 個開關(guān)輸入量、16 個開關(guān)輸出量。對于空壓智能控制系統(tǒng)所需監(jiān)測和控制的項(xiàng)目，空壓機(jī)系統(tǒng)所需的開關(guān)輸入量和開關(guān)輸出量均為16 點(diǎn)。

統(tǒng)計(jì)空壓機(jī)系統(tǒng)的模擬量輸入及輸出點(diǎn)數(shù)情況，其空壓機(jī)系統(tǒng)需擴(kuò)展兩個AI/AO 模塊其型號為EM235；四個AI 模塊其型號為EM231。

4 空壓機(jī)智能聯(lián)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本文中的礦用單螺桿空壓機(jī)的智能聯(lián)動控制系統(tǒng)包括以下三部分：空壓機(jī)運(yùn)行過程中的溫度、壓力等參數(shù)實(shí)時采集與顯示，歷史數(shù)據(jù)存儲查詢功能；通過設(shè)置的壓力傳感器、溫度傳感器等實(shí)現(xiàn)對空壓機(jī)的斷油、超溫、超壓等保護(hù)；具有就地和遠(yuǎn)程控制功能，遠(yuǎn)程控制分為遠(yuǎn)程手動控制及遠(yuǎn)程自動控制，遠(yuǎn)程手動控制即可遠(yuǎn)程單獨(dú)控制某臺空壓機(jī)的啟、停；遠(yuǎn)程自動控制依據(jù)空壓機(jī)母管氣體的溫度、壓力以及空壓機(jī)的運(yùn)行時間、潤滑油的溫度等，來合理控制空壓機(jī)的啟動臺數(shù)及啟動時間。其中，遠(yuǎn)程自動控制系統(tǒng)為空壓機(jī)智能聯(lián)動控制系統(tǒng)核心。該系統(tǒng)用1 臺PLC作為控制核心，分別與3 臺空壓機(jī)進(jìn)行RS485 通信，實(shí)現(xiàn)啟動、停止、壓力/溫度、空壓機(jī)輪換等控制；并實(shí)時讀取每臺空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、壓力/溫度等顯示參數(shù)，也可在手動模式下對每臺空壓機(jī)獨(dú)立控制。

同時在PC 端安裝WINCC 組態(tài)與PLC 通訊，用作后臺監(jiān)控，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、發(fā)送及存儲，來控制空壓機(jī)的運(yùn)行，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)配置圖

此外，該智能聯(lián)動控制系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了各空壓機(jī)運(yùn)行狀況間的聯(lián)動控制，具體體現(xiàn)在對啟停順序和運(yùn)行時間方面的控制。啟動順序控制原則為依據(jù)母管的壓力情況確定空壓機(jī)的啟動數(shù)量。

1）啟動運(yùn)行：設(shè)置為聯(lián)控狀態(tài)，在所有機(jī)器備妥待機(jī)的狀態(tài)下，1 號啟動，進(jìn)入加載狀態(tài)，在設(shè)定的延時30 min 到達(dá)設(shè)定壓力，如果壓力未達(dá)到要求，那么2 號機(jī)啟動，聯(lián)動延時30 min 到達(dá)，如果壓力還是沒有達(dá)到用氣要求，那么3 號機(jī)啟動。

2）加載、卸載運(yùn)行：空壓機(jī)加載過程不改變，空壓機(jī)啟動后，根據(jù)管網(wǎng)壓力進(jìn)行卸載。

3）空壓機(jī)輪換、停機(jī)：假設(shè)當(dāng)前1 號空壓機(jī)運(yùn)行滿足用氣要求，2 號、3 號空壓機(jī)處于待機(jī)備妥狀態(tài)，1號空壓機(jī)持續(xù)運(yùn)行至設(shè)定時間72 h，則自動切換至下1 臺空壓機(jī)運(yùn)行；假設(shè)多臺空壓機(jī)同時運(yùn)行，滿足用氣需求的同時，若其中某臺空壓機(jī)的空載率達(dá)到70%，則根據(jù)空壓機(jī)運(yùn)行時長，運(yùn)行時間長的空壓機(jī)自動停止運(yùn)行并處于備妥狀態(tài)；假設(shè)多臺空壓機(jī)同時運(yùn)行，若其中某臺空壓機(jī)空久停車時間達(dá)到設(shè)定時間30 min，則這臺空壓機(jī)立即停機(jī)并處于備妥狀態(tài)。

5 結(jié)語

空壓機(jī)作為礦井作業(yè)中為風(fēng)泵、風(fēng)鎬和風(fēng)鉆等設(shè)備提供驅(qū)動力的重要設(shè)備，不僅降低了其耗電量，而且有效提升了空壓機(jī)系統(tǒng)的智能化和自動化水平，對實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)智能聯(lián)動控制系統(tǒng)意義重大。在遠(yuǎn)程監(jiān)測空壓機(jī)運(yùn)行狀況的情況下，空壓機(jī)間的智能聯(lián)動控制綜合管網(wǎng)壓力以及空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、潤滑油的溫度等，管網(wǎng)的壓力值得以實(shí)現(xiàn)控制，從而合理控制空壓機(jī)的啟動臺數(shù)及啟動時間，以達(dá)到降低空壓機(jī)能耗的目的。