基于PLC 煤礦空壓機(jī)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

宮殿強(qiáng)

（山西大同大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 大同 037003）

虎龍溝煤業(yè)公司地面空壓機(jī)站以往采用的人工就地控制系統(tǒng)落后，系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，供氣質(zhì)量得不到保證，煤礦生產(chǎn)存在安全隱患，降低了設(shè)備使用壽命。因此，必須對空壓機(jī)站控制系統(tǒng)進(jìn)行智能化改造[1-6]，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的無人值守。

1 工程概況

虎龍溝煤業(yè)公司位于山西省懷仁縣，井田面積12.21 km2，可采儲量6 345.4 萬t，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120 萬t/a。虎龍溝煤業(yè)地面空壓機(jī)站布設(shè)有4 臺MLG30/8-200G 煤礦用螺桿式空壓機(jī)，4 臺空壓機(jī)通過主管路連接，正常生產(chǎn)時3 臺工作1 臺備用；當(dāng)空壓機(jī)運(yùn)行時出現(xiàn)故障后，則立即啟用備用壓縮機(jī)，停止故障壓縮機(jī)工作，及時進(jìn)行維修處理。

虎龍溝煤業(yè)公司空壓機(jī)主要采用人工就地控制方式，值守工作人員在空壓機(jī)站值班時間內(nèi)需要對空壓機(jī)的啟停、冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行關(guān)閉進(jìn)行人工操作?？諌簷C(jī)人工就地控制方式存在以下問題：1）人工操作無法保障空壓機(jī)能提供相對穩(wěn)定的供氣條件，供氣質(zhì)量得不到保證；2）空壓機(jī)站為溫度高、噪音大的惡劣環(huán)境，影響到工人的身體健康，影響其正常作業(yè)，煤礦生產(chǎn)存在安全隱患；3）人工就地控制方式不利于設(shè)備的維護(hù)和管理，影響設(shè)備的使用壽命。針對空壓機(jī)站人工就地控制方式存在的問題，針對性設(shè)計(jì)了一種基于PLC 的空壓機(jī)智能控制系統(tǒng)，為保障煤礦壓風(fēng)供應(yīng)及安全生產(chǎn)提供基礎(chǔ)。

2 基于PLC 的空壓機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

基于PLC 的空壓機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1，主要包括主站工控機(jī)、PLC 控制柜、從站PLC 控制柜、壓力溫度開停三類傳感器、電磁閥及報(bào)警器、壓風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊等組成。

圖1 基于PLC 的空壓機(jī)智能控制系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)采用PLC 及控制網(wǎng)絡(luò)對空壓機(jī)壓風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)、電磁閥及報(bào)警器等數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行智能控制和監(jiān)控。主站PLC 與4 個從站PLC 之間采用RS-485 總線通信方式。主站PLC 控制柜主要是對空壓機(jī)壓力、溫度、運(yùn)行時間、電機(jī)電壓、電機(jī)電流、輸出功率等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。從站PLC控制柜對受控空壓機(jī)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，對空壓機(jī)實(shí)現(xiàn)就地控制，對故障及維修狀態(tài)空壓機(jī)實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制，對空壓機(jī)進(jìn)行故障預(yù)警，完成與主站PLC 的通信。

2.2 系統(tǒng)功能分析

該空壓機(jī)智能控制系統(tǒng)采用集散式控制方式，由1 臺主站PLC 控制器和4 臺從站PLC 控制器共同完成空壓機(jī)站的監(jiān)控和智能控制，其主要功能如下：

1）可對空壓機(jī)實(shí)施遠(yuǎn)程智能自動一鍵啟停操作。煤礦在不同的生產(chǎn)階段和生產(chǎn)條件下對壓風(fēng)量的需求不同，主要是通過控制空壓機(jī)工作臺數(shù)來進(jìn)行壓風(fēng)量調(diào)節(jié)。當(dāng)煤礦需要的壓風(fēng)量逐漸減少時，系統(tǒng)可監(jiān)測到管道壓力參數(shù)的變化，管道壓力參數(shù)到過閾值后系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)施智能一鍵停止空壓機(jī)工作；同理，當(dāng)煤礦需要的壓風(fēng)量逐漸增加時，系統(tǒng)可監(jiān)測到管道壓力參數(shù)的變化，管道壓力參數(shù)到過閾值后系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)施智能一鍵開啟空壓機(jī)工作。

2）可實(shí)現(xiàn)對空壓機(jī)站內(nèi)不同空壓機(jī)工作時間及狀態(tài)的合理分配。該煤礦空壓機(jī)站采用3 用1 備工作模式，在正常工作時系統(tǒng)可對備用空壓機(jī)實(shí)施智能輪流工作，保障備用空壓機(jī)在特殊狀況下需要工作時無故障發(fā)生，如存在故障可在輪流工作時及時發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行維修，消除安全隱患。

3）對空壓機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行在線實(shí)時監(jiān)測。主從PLC 控制器可對各設(shè)備信號及時采集和處理分析，如發(fā)現(xiàn)運(yùn)行空壓機(jī)存在故障，系統(tǒng)會及時進(jìn)行預(yù)警，在停止故障空壓機(jī)工作的同時開啟備用空壓機(jī)，保障煤礦壓風(fēng)量的需求。

3 智能控制系統(tǒng)硬件及控制程序設(shè)計(jì)分析

3.1 系統(tǒng)硬件

空壓機(jī)智能控制系統(tǒng)主控制單元硬件如圖2。主站PLC 采用西門子PLCS7-300 系列可編程控制器。該P(yáng)LC 控制器各種性能的模塊可以非常好地滿足和適應(yīng)煤礦空壓機(jī)站自動化控制任務(wù)，簡單實(shí)用的分布式結(jié)構(gòu)和多界面網(wǎng)絡(luò)能力，應(yīng)用十分靈活，集成輸入量28 個、輸出量18 個。

圖2 空壓機(jī)智能控制系統(tǒng)主控制單元硬件示意圖

從站PLC 控制器采用西門子S7-200CPU224 可編程控制器。該P(yáng)LC 控制器含有RS-485 串口，數(shù)字量輸入點(diǎn)14 個、輸出點(diǎn)10 個。S7-200CPU224 小型PLC 控制模塊結(jié)構(gòu)緊湊，成本低廉，功能強(qiáng)大，可較好地適應(yīng)煤礦空壓機(jī)站復(fù)雜工況自動化控制系統(tǒng)。

3.2 控制程序設(shè)計(jì)

空壓機(jī)站PLC 智能控制系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)，根據(jù)對應(yīng)功能事件編寫對應(yīng)子程序，程序具有可讀性和易維護(hù)性、可調(diào)性和可擴(kuò)充性。空壓機(jī)站PLC 智能控制系統(tǒng)主程序框架圖如圖3，該系統(tǒng)上電自啟動程序→系統(tǒng)初始化及參數(shù)設(shè)置→主程序，對空壓機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及處理，如分析到采集數(shù)據(jù)無超限情況發(fā)生，判斷壓風(fēng)系統(tǒng)正常，可按正常情況對空壓機(jī)進(jìn)行啟?？刂?；如分析到采集數(shù)據(jù)超限，則判斷壓風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常，進(jìn)而進(jìn)入到報(bào)警中斷程序→故障處理程序，視故障處理結(jié)果進(jìn)入到正常運(yùn)轉(zhuǎn)或緊急停機(jī)。

圖3 空壓機(jī)站PLC 智能控制系統(tǒng)主程序框架圖

智能控制系統(tǒng)故障檢測程序流程如圖4。當(dāng)程序檢測到空壓機(jī)運(yùn)行中發(fā)生故障，智能控制系統(tǒng)可自動對故障機(jī)組發(fā)出停機(jī)指令并啟動備用空壓機(jī)組。已停機(jī)的故障機(jī)組設(shè)備受分站PLC 控制器單獨(dú)控制，讓其處于檢修狀態(tài)下，不受智能控制系統(tǒng)監(jiān)控，等待故障消除后重新連接到智能控制系統(tǒng)中來。

圖4 智能控制系統(tǒng)故障檢測程序流程圖

4 應(yīng)用效果分析

4.1 效果分析

2021 年12 月，虎龍溝煤業(yè)地面空壓機(jī)站4 臺MLG30/8-200G 煤礦用螺桿式空壓機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了基于PLC 煤礦空壓機(jī)智能控制系統(tǒng)的安裝改造，調(diào)試后投入到了實(shí)踐應(yīng)用當(dāng)中。當(dāng)前該P(yáng)LC 煤礦空壓機(jī)智能控制系統(tǒng)已運(yùn)行有一年之久，空壓機(jī)站及智能控制系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定，智能控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對壓風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)的在線智能監(jiān)控，能實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)故障的智能檢測及預(yù)警等功能，能智能分配空壓機(jī)工作時間等功能，無一起因控制系統(tǒng)問題導(dǎo)致的空壓機(jī)安全事故發(fā)生。

智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果理想，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用取代了以往的人工就地控制方式，實(shí)現(xiàn)了壓風(fēng)機(jī)站的無人值守，減輕了工人崗位；2）對空壓機(jī)故障進(jìn)行智能檢測及預(yù)警，自動化程度高，有效提高了設(shè)備故障的檢修效率；3）智能分配空壓機(jī)工作時間后，有效降低了空壓機(jī)的磨損，提高了設(shè)備的使用壽命。智能控制系統(tǒng)在虎龍溝煤業(yè)地面空壓機(jī)站的應(yīng)用具有較好的減員增效和減少能耗效果。

4.2 效益分析

1）節(jié)約了人工費(fèi)用。智能控制系統(tǒng)應(yīng)用后，壓風(fēng)機(jī)組實(shí)現(xiàn)無人值守，壓風(fēng)機(jī)站不再設(shè)置固定監(jiān)測、操作等崗位，每班共可減少工作人員4 名，按每人8000 元/月計(jì)算，每年可節(jié)約人工費(fèi)用38.4萬元/年。

2）節(jié)約了電費(fèi)。智能分配空壓機(jī)工作時間后，可實(shí)現(xiàn)壓風(fēng)機(jī)的智能化運(yùn)行，大幅度避免了以往的無效空轉(zhuǎn)電耗，可實(shí)現(xiàn)節(jié)電率達(dá)9.9%，經(jīng)計(jì)算每年可節(jié)約電耗約171 MW，每年可節(jié)約電費(fèi)約9.9 萬元。

3）可節(jié)約設(shè)備維修和采購費(fèi)用。對比以往，空壓機(jī)及相關(guān)設(shè)備維修費(fèi)用每年可節(jié)約2 萬元，空壓機(jī)的使用壽命延長后，設(shè)備及零部件平均每年可節(jié)約費(fèi)用5 萬元。

虎龍溝煤業(yè)空壓機(jī)站采用基于PLC 空壓機(jī)智能控制系統(tǒng)改造后，具有較好的安全性和可靠性，可實(shí)現(xiàn)無人值守，每年可節(jié)約費(fèi)用約55.3 萬元。

5 結(jié)語

針對虎龍溝煤業(yè)空壓機(jī)站采用的人工就地控制存在的問題，設(shè)計(jì)一種基于PLC 空壓機(jī)智能控制系統(tǒng)。對該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和功能進(jìn)行了分析，對硬件及控制程序設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。該系統(tǒng)實(shí)踐效果理想，可實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)站的無人值守，無安全事故發(fā)生，每年節(jié)約費(fèi)用約55.3 萬元。