新型煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)概述

【摘 要】本文主要對目前煤礦中所采用的空壓機(jī)控制技術(shù)進(jìn)行了分析，在指出目前控制系統(tǒng)不足的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)的升級與改造的設(shè)計。文中主要分析了控制系統(tǒng)的升級改造總體設(shè)計方案、系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計以及調(diào)試的方法步驟。對于目前煤礦空壓機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行升級改造后，系統(tǒng)工作的效率、自動化水平以及工作性能都得到了較大的提升。

【關(guān)鍵詞】空壓機(jī)；控制系統(tǒng)；煤礦；升級改造；傳感器

0.引言

空氣壓縮機(jī)在工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)中一般簡稱為空壓機(jī)，在機(jī)械制造以及礦山能源系統(tǒng)等方面具有非常重要的作用。空壓機(jī)工作狀態(tài)的控制對于生產(chǎn)具有重要的影響，目前國內(nèi)絕大部分的空壓機(jī)都采用了繼電器的控制方式，但是這樣的控制系統(tǒng)對于系統(tǒng)的監(jiān)控以及保護(hù)水平較差，對于溫度以及壓力等常見變量都是采用接點(diǎn)溫度計以及接點(diǎn)壓力計等傳統(tǒng)儀器儀表作為檢測器件，系統(tǒng)工作的故障率較高，技術(shù)人員對于系統(tǒng)的維護(hù)工作量較大，系統(tǒng)的工作性能以及工作穩(wěn)定性也不能滿足工業(yè)化生產(chǎn)的要求。提升煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)的工作性能，對目前的控制系統(tǒng)進(jìn)行升級改造是空壓機(jī)工業(yè)應(yīng)用中亟待解決的問題。

1.新型煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)的主要功能以及系統(tǒng)特點(diǎn)

對于目前傳統(tǒng)的空壓機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行升級改造后，系統(tǒng)要能夠具備以下幾個方面的功能需求，首先控制系統(tǒng)要能夠滿足對煤礦中空壓機(jī)的群組進(jìn)行實(shí)時集中控制；同時系統(tǒng)要能夠具備溫度檢測以及自動停機(jī)保護(hù)的功能，在空壓機(jī)的工作過程中，溫度對于產(chǎn)品的工作性能具有重要的影響，控制系統(tǒng)要能夠?qū)崟r檢測空壓機(jī)在運(yùn)行過程中一級以及二級排氣溫度，風(fēng)包的溫度以及可以實(shí)現(xiàn)光電報警以及停機(jī)保護(hù)的功能；空壓機(jī)控制系統(tǒng)同時也要能夠?qū)τ诳諌簷C(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的壓力進(jìn)行實(shí)時的檢測以及保護(hù)，要能對一級、二級排氣壓力、潤滑油壓力等實(shí)現(xiàn)不斷的檢測以及報警與延時停機(jī)方面的保護(hù)；在空壓機(jī)工作過程中，如果出現(xiàn)停水的情況，監(jiān)控系統(tǒng)要能夠迅速檢測并報警。

煤礦空壓機(jī)控制升級系統(tǒng)主要具備以下的技術(shù)特點(diǎn)，系統(tǒng)的硬件電路主要由壓力傳感器、溫度傳感器以及對應(yīng)的流量傳感器等能量變化器件與下位機(jī)控制的單片機(jī)、上位機(jī)控制的工控機(jī)組成，整個系統(tǒng)中同時采用了保護(hù)裝置，保證控制系統(tǒng)正常工作。系統(tǒng)最終能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時在線檢測溫度、壓力等相關(guān)參數(shù)，同時能夠?qū)崿F(xiàn)報警、卸荷以及延時停機(jī)等控制功能。在系統(tǒng)的上位機(jī)中能夠顯示目前的工作狀態(tài)。圖1為工控機(jī)中控制系統(tǒng)的工作界面。

2.新型煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)的升級改造的總體設(shè)計方案

在進(jìn)行煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)的升級改造中，確定了以下的總體設(shè)計方案。整體控制系統(tǒng)由傳感器進(jìn)行各種非電關(guān)鍵物理量的采集以及能量形式的變化，本控制系統(tǒng)中的所采用的傳感器能夠?qū)y試信號轉(zhuǎn)換為4-20mA的電流信號，通過電流與電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂芯€性關(guān)系的輸出電壓，通過同軸電纜等低噪聲傳輸線將信號進(jìn)行預(yù)處理，主要包含對信號進(jìn)行濾波、整形以及ADC變換，在完成信號的預(yù)處理后，將信號傳送到單片機(jī)（控制系統(tǒng)的下位機(jī)）進(jìn)行處理，工控機(jī)（系統(tǒng)中所采用的上位機(jī)）通過RS485總線與下位機(jī)進(jìn)行通信，通信過程中，下位機(jī)將采集的參量傳輸給上位機(jī)進(jìn)行邏輯關(guān)系的判斷，上位機(jī)將控制信息傳輸給下位機(jī)做出控制動作。在工業(yè)化生產(chǎn)實(shí)際中，一般控制對象都是由5臺及以上的空壓機(jī)組成的空壓機(jī)組，為了保證系統(tǒng)中各個空壓機(jī)的工作相互之間沒有干擾，在系統(tǒng)的設(shè)計中采用了獨(dú)立傳感器、獨(dú)立單片機(jī)的控制方式。系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖2所示。

3.新型煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計

3.1信號采集前端的設(shè)計

整體控制系統(tǒng)設(shè)計中要求能完成以下幾個方面的保護(hù)功能，以此保證控制系統(tǒng)的正常工作。在系統(tǒng)中要求能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度、壓力、潤滑油缺失以及水缺失等四個方面的自動檢測以及保護(hù)。溫度保護(hù)中采用的是溫度傳感器進(jìn)行檢測空壓機(jī)工作的實(shí)時溫度，并與系統(tǒng)設(shè)定的溫度的閾值進(jìn)行對比，當(dāng)超過設(shè)置溫度的時候，系統(tǒng)自動報警并停機(jī)保護(hù)；潤滑油缺失檢測采用的是壓力傳感器，實(shí)時檢測系統(tǒng)中的油壓，而水缺失傳感器則采用的是流量傳感器進(jìn)行實(shí)時測量，當(dāng)檢測到冷卻水的流量低于系統(tǒng)設(shè)置的下限值的時候，空壓機(jī)停止工作。

3.2單片機(jī)對于傳感器信號的處理

在單片機(jī)進(jìn)行信號處理之前，首先是需要將信號進(jìn)行處理，在系統(tǒng)中采用了電流—電壓轉(zhuǎn)換電路、濾波電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對于信號進(jìn)行預(yù)處理。由于系統(tǒng)中所采用的傳感器輸出為電流形式，因此電路中需要采用一個高精度的電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為一定區(qū)間的電壓信號。同時由于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境中存在大量的干擾以及傳感器的原因，在輸入到單片機(jī)的信號中存在大量的諧波干擾，因此系統(tǒng)中設(shè)計了常用的有源濾波電路對信號中的雜波成分進(jìn)行有效的濾除，同時由于單片機(jī)是典型的數(shù)字電子產(chǎn)品，只能夠?qū)?shù)字信號進(jìn)行處理計算，所以必須采用ADC電路將傳感器的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以適應(yīng)單片機(jī)的工作需要。

3.3工控機(jī)的設(shè)計分析

在控制系統(tǒng)中，上位機(jī)采用了工控機(jī)作為控制核心，上位機(jī)的功能是完成將下位機(jī)采集傳輸過來的信號還原為工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)際參量，并通過用戶界面顯示出來。在上位機(jī)控制軟件中采用棒圖進(jìn)行控制顯示，并將控制信息發(fā)送到對應(yīng)的下位機(jī)。

4.新型煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)升級改造的軟件系統(tǒng)設(shè)計

在軟件系統(tǒng)設(shè)計中，主要包含單片機(jī)的下位機(jī)控制程序以及上位機(jī)顯示界面程序。在下位機(jī)的控制中，主要采用了匯編指令進(jìn)行程序的編寫，以達(dá)到系統(tǒng)實(shí)時的效率。上位機(jī)采用了VC以及匯編指令的混合系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。軟件的設(shè)計中遵循了模塊化的設(shè)計方案，這樣便于系統(tǒng)的后續(xù)升級以及程序的調(diào)試工作。軟件主要由系統(tǒng)啟動模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊、系統(tǒng)工作設(shè)置模塊以及綜合保護(hù)模塊等多個部分構(gòu)成。為了適應(yīng)煤礦的工作環(huán)境以及工業(yè)生產(chǎn)的要求，軟件設(shè)計過程中尤其關(guān)注了軟件系統(tǒng)的可靠性以及抗干擾能力，同時為了能夠保證采集數(shù)據(jù)的精度，在程序中引入了數(shù)字濾波的模塊，因此增強(qiáng)系統(tǒng)的控制能力。

5.新型煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)升級改造后系統(tǒng)的調(diào)試以及抗干擾分析

在系統(tǒng)升級改造設(shè)計完成后，對于系統(tǒng)的工作性能進(jìn)行了整體的調(diào)試，并對工作過程中有可能出現(xiàn)的干擾進(jìn)行了分析。在系統(tǒng)調(diào)試中要能夠采用先部分再整體，先靜態(tài)再動態(tài)，先進(jìn)行電氣設(shè)備調(diào)試再進(jìn)行軟件控制功能調(diào)試的方法步驟對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試分析。由于煤礦系統(tǒng)的工作環(huán)境較差，在工作中存在高電壓、強(qiáng)電流、強(qiáng)EMC干擾等情況，所以在系統(tǒng)的設(shè)計中，一定要強(qiáng)化抗干擾方面的理念。在系統(tǒng)各個功能部件進(jìn)行連接的時候，要盡量采用具有較強(qiáng)抗干擾能力的同軸電纜，系統(tǒng)不同模塊的耦合中要采取合適的隔離方式，例如可以采用光電隔離等，要采取瞬態(tài)抑制電路、濾波電路等消除或者減小電路中的干擾。 [科]

6.總結(jié)

空壓機(jī)的控制效果對于煤礦等工業(yè)生產(chǎn)具有重要的影響。通過對其控制系統(tǒng)的升級與改造，新型的控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計合理、軟件工作性能可靠、系統(tǒng)整體工作性能良好。系統(tǒng)能夠很好地對礦山等場所的空壓機(jī)組工作的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時的檢測以及報警，并能夠進(jìn)行自動保護(hù)。空壓機(jī)控制系統(tǒng)的升級改造大大提升了空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的自動控制水平，對于礦山的生產(chǎn)效率的提升也具有極為重要的意義。

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