新景礦空壓機(jī)故障檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

＊車海紅

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司 山西 045000）

引言

螺桿式空氣壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、運(yùn)行平穩(wěn)、壽命長的優(yōu)勢。在現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛，如制造業(yè)、礦業(yè)、冶金業(yè)、電力行業(yè)等都均有應(yīng)用。該壓縮機(jī)屬于容積式壓縮設(shè)備。氣體的壓縮通過容積的變化來實(shí)現(xiàn)，容積變化通過陰陽轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)運(yùn)動完成。其零部件采用長壽命設(shè)計(jì)，入口設(shè)有過濾器、分離器等裝置確保壓縮空氣質(zhì)量。性能可靠，市場占有率呈上升趨勢，前瞻產(chǎn)業(yè)研究院《2014—2018年中國空氣壓縮機(jī)行業(yè)產(chǎn)銷需求預(yù)測與轉(zhuǎn)型升級分析報(bào)告》顯示：日本螺桿壓縮機(jī)1976年市場占有率27%，1985年市場占有率達(dá)到85%。我國從2014年起，螺桿式空壓機(jī)市場占有率以每年15%的速度遞增?？茖W(xué)合理使用螺桿空壓機(jī)使其高效運(yùn)轉(zhuǎn)，為企業(yè)生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。然而，現(xiàn)階段空壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)較為滯后，空壓機(jī)出現(xiàn)故障，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，延遲了設(shè)備的正常使用效果[1]。PLC控制系統(tǒng)是在傳統(tǒng)順序控制器的基礎(chǔ)上引入微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)形成的一種新型工業(yè)控制裝置，具有通用性強(qiáng)、適用范圍廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單、模塊化的優(yōu)點(diǎn)[2]。本文通過設(shè)計(jì)以PLC控制器為核心的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，對空壓機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

1.螺桿式空壓機(jī)的運(yùn)行情況

新景礦井下1-3#空壓機(jī)機(jī)組，從2018年至2020年多次出現(xiàn)較大故障，造成生產(chǎn)中斷，給企業(yè)生產(chǎn)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。具體故障情況見表1。

從表1數(shù)據(jù)可知，2018年至2020年因空壓機(jī)故障造成生產(chǎn)中斷累積時(shí)間32h，給企業(yè)穩(wěn)定生產(chǎn)帶來諸多不便。為便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)空壓機(jī)故障，決定對該礦空壓機(jī)檢測系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表1 2018—2020年空壓機(jī)組故障情況

2.工程背景

新景礦位于陽泉市西部，距離市中心18km，臨近石太鐵路和太舊高速公路。井田煤層貯藏穩(wěn)定，均為優(yōu)質(zhì)無煙煤。可采煤層8層，主采3#、8#、15#煤。一期工程可采儲量1.6億噸，采區(qū)服務(wù)年限52.4年，年生產(chǎn)能力580萬噸。

礦用壓縮機(jī)通常為螺桿式空氣壓縮機(jī)，具有安全可靠性高、噪音小、對設(shè)備損壞少等特點(diǎn)。工作原理是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動將空氣帶入空壓機(jī)腔體，將空氣加壓，達(dá)到設(shè)定壓力值時(shí)氣體排出，完成一個(gè)工作行程。壓縮機(jī)由腔體、陰陽轉(zhuǎn)子、動力系統(tǒng)等構(gòu)成[3]?？諝鉃V清器附在空壓機(jī)上，用于定期除塵和清洗，溫度傳感器檢測廢氣溫度，保壓閥門調(diào)節(jié)空壓機(jī)腔[4]。以新景礦井下布置的3臺螺桿式空壓機(jī)為研究對象，各傳感器布置要求如下：

空壓機(jī)出口設(shè)置溫度傳感器，進(jìn)行氣體溫度數(shù)據(jù)收集并傳送，超出設(shè)定預(yù)警值，及時(shí)報(bào)警停機(jī)。

空壓機(jī)腔體設(shè)置壓力傳感器，進(jìn)行氣體壓力數(shù)據(jù)收集并傳送，超出設(shè)定值，發(fā)出聲光報(bào)警信號，并緊急停機(jī)。

氣體過濾和分離系統(tǒng)進(jìn)行堵塞預(yù)警。

空壓機(jī)產(chǎn)氣量超出設(shè)定預(yù)警值時(shí)，立即自動停機(jī)[5]。

因此，空壓機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)包括壓力、溫度以及流量三個(gè)方面，預(yù)警設(shè)定值如表2所示，超出設(shè)定值將自動停機(jī)。

表2 空壓機(jī)監(jiān)測參數(shù)預(yù)警設(shè)定值

3.監(jiān)測及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)硬件組成設(shè)計(jì)

空壓機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)、下位機(jī)子系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)由終端控制器從子系統(tǒng)獲取，PLC系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳送至地面控制室，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

采集數(shù)據(jù)在監(jiān)控室監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行處理，空壓機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)由各傳感器進(jìn)行采集，然后經(jīng)過交互機(jī)輸送到上位機(jī)系統(tǒng)，由PLC進(jìn)行運(yùn)算處理。選擇S7-200CPU226型PLC處理器，該裝置可進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲和計(jì)算。選擇西門子網(wǎng)絡(luò)拓展模塊作為通訊模塊，該模塊抗干擾性能優(yōu)越。井下巷道粉塵多、濕度大，且存在腐蝕性氣體，空壓機(jī)運(yùn)行有一定的振動，因此選擇的傳感器必須具備良好的抗沖擊能力和工作能承受高溫的環(huán)境[6]。因此，溫度傳感器必須具備耐高溫特性，本次設(shè)計(jì)選擇熱電偶系列傳感器。

壓力傳感器通常采用彈簧管作為壓敏元件進(jìn)行流體壓力測量。壓力傳感器能夠?qū)Ρ粶y壓力實(shí)時(shí)測量，并能實(shí)時(shí)傳輸測量數(shù)據(jù)；根據(jù)壓縮機(jī)的用途不同流量傳感器的選擇有很大的不同。對于空壓機(jī)，LCX型流量傳感器可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程流量監(jiān)測，預(yù)警報(bào)警的效果[7]。

(2)傳感器選型設(shè)計(jì)

依照空壓機(jī)工況，結(jié)合井下環(huán)境，對傳感器進(jìn)行選型，結(jié)果見表3。

表3 空壓機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)傳感器選型設(shè)計(jì)

①溫度傳感器選型。溫度監(jiān)測包含油溫、排氣口溫度兩方面。選型原則：傳感器測溫范圍、精度等級；測溫元件大小是否合適、測溫元件的滯后是否滿足測溫要求、測溫原件是否適合所測設(shè)備環(huán)境。溫度傳感器系列適用范圍，見表4。

表4 常用溫度傳感器適用范圍

通過比較，選擇PT100-TA10/0-200整體式溫度變送器，該裝置溫度測量區(qū)間廣、精度高，可對空壓機(jī)油溫進(jìn)行精確監(jiān)測；電機(jī)軸承溫度監(jiān)測，選擇CZ51型溫度變送器，該裝置監(jiān)測范圍200～1600℃，信號輸出為4～20mA的電流信號。

②壓力傳感器選型。壓力監(jiān)測主要包含油壓、排氣壓力兩方面。選型原則：介質(zhì)、量程、精度、信號輸出類別、頻響特性等。通過比較，選擇OPEC2088型硅擴(kuò)散壓力變送器，該裝置結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性強(qiáng)、精度高、耐溫性好。能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測管道壓力、油壓及排氣壓力。

③振動傳感器選型?？諌簷C(jī)屬于轉(zhuǎn)動設(shè)備，運(yùn)行中存在振動，但是異常的機(jī)械振動會造成設(shè)備故障，給運(yùn)行帶來不良影響?？諌簷C(jī)振動源主要來自電機(jī)，因此需要對電機(jī)進(jìn)行振動監(jiān)測，便于了解電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。選型原則：常用壓力傳感器原理，見表5。通過比較，選擇XZD-YB一體化防爆振動變送器進(jìn)行振動數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，該裝置振幅監(jiān)測較為全面，工作電壓DC24V，信號輸出為4～20mA的電流信號。

表5 常用壓力傳感器原理

(3)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由上位機(jī)、下位機(jī)程序構(gòu)成。上位機(jī)系統(tǒng)主要用于數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理、預(yù)警報(bào)警等，具備圖像傳輸和語音或報(bào)警信號的功能。查詢和通訊能力，能及時(shí)反映現(xiàn)場實(shí)際工況，實(shí)時(shí)下達(dá)指令的功能[8]。軟件設(shè)計(jì)包括操作界面、運(yùn)行界面，可實(shí)時(shí)顯示空壓機(jī)主要運(yùn)行參數(shù)。以有效減少人工在井內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)測量、參數(shù)核對的時(shí)間；下位機(jī)系統(tǒng)主要用于空壓機(jī)運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸、處理，當(dāng)空壓機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行初步判斷，是否進(jìn)行預(yù)警。所得數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)識別一致，立即向上位機(jī)發(fā)送指令，否則返回初始狀態(tài)。工作流程，見圖2。

圖2 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖

4.運(yùn)行效果

空壓機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于井內(nèi)三臺在用空壓機(jī)予以測試。在線監(jiān)測系統(tǒng)投用前后，效果對比，見表6。原空壓機(jī)系統(tǒng)僅能顯示電機(jī)電流值、電壓值，不能顯示空壓機(jī)排氣溫度、排氣壓力、電機(jī)振動值，不利于對空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，需要依靠操作人員進(jìn)行巡檢，獲得運(yùn)行數(shù)據(jù)。而在線故障監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示空壓機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，及時(shí)掌握空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。通過人工現(xiàn)場檢測，在線故障監(jiān)測系統(tǒng)顯示的出口溫度、排氣壓力均在允許范圍內(nèi)，在線監(jiān)測數(shù)據(jù)和實(shí)際工況接近。該系統(tǒng)投用后，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)空壓機(jī)設(shè)備問題，節(jié)約檢修費(fèi)用，同時(shí)也降低了操作人員的勞動強(qiáng)度。監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用達(dá)到預(yù)期效果。

表6 空壓機(jī)測試參數(shù)示意表

5.結(jié)語

本次設(shè)計(jì)的空壓機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)具有簡潔化、高效化、可靠化的優(yōu)點(diǎn)。有效實(shí)現(xiàn)了對空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。