井下空壓機智能遠程集中地表控制系統的研究與應用

王多彥，張 俊

（云南馳宏鋅鍺股份有限公司會澤礦業分公司，云南 曲靖 655000）

關鍵字：空壓機；上位機遠程監控；PLC控制系統；遠程監控上位機

在會澤礦業分公司的礦山井下生產中，使用的空壓機控制回路為繼電器控制，控制方式采用就地人工手動啟、停操作，運行一段時間需進行檢查，記錄空壓機的運行情況。此外，空壓機組會消耗大量電能，在輕載下和空載情況下運行，空壓機組磨損嚴重、電能消耗增多、增加了設備使用成本。所以，全自動地表遠程監控系統出現延長了空壓機組使用壽命。

1 系統概述

空壓機組遠程集中監控系統是集能源生產、消耗過程監控、能源管理為一體的自動化信息管理系統，保障能源介質“安全、穩定、經濟”運行，對生產能源消耗實時匯總分析，節約企業能源消耗，提高企業生產效益。

圖1為空壓機組遠程集中控制系統的構成圖，該系統主要由檢測傳感器、上位工控機系統、觸摸屏、空壓機監控分站控制柜等部分組成。空壓機組的各參數設置、監測數據的查詢、數據處理等功能需要在計算機輔助下由上位工控機系統進行操作完成。在西門子PLC編程軟件支持下空壓機組遠程集中監控系統實現了對信號、溫度、電流的監控，同時具備預警和控制功能。

本系統上位機遠程監控構建于當前先進成熟的Microsoft.NET XML/Web Services和Microsoft Windows Server技術之上，能源集中監控SCADA軟件平臺，采用西門子WINCC系統軟件架構模式，應用S7-300PLC完成對現有的所有空壓機采集處理電機電流、溫度、壓力信號，并上傳至中央控制室遠程計算機，最終實現將多臺運行的空壓機集中監控、在線監測、數據采集、能源管理、報警顯示、報警記錄、數據存儲等功能。

因此本遠程監控系統也同樣可以拓展到井下所有的空壓機分站，充分發揮出各臺空壓機的性能，實現最大限度的節能運行，保證各種保護有效可靠，延長空壓機的使用壽命，有利于提高企業生產效益。

2 監控系統結構與組成

（1）監控對象。各空壓機分站的低壓控制柜的斷路器開、合閘狀態及其它電力狀態；每一臺供氣管道壓力的變化情況；螺桿式空壓機啟動、停止以及機組的運行狀態。

（2）硬件及網絡配置。在ModbusRTU協議下，智能控制器、變頻器、軟啟動器同時接入RS-485接口，有利于空壓機組正常運行。各個硬件配置通過串口網絡進行通訊，為空壓機組的監控提供了必備的條件。PLC控制和觸摸屏構成了現場控制分站，不同分壓機組可由空壓機房集中控制、就地控制柜、中央控制室遠程監控，在設備出現故障不能正常運行時可調成手動模式，使操作更加方便。

（3）本系統可分四部分構成。①上位機系統。用于完成現場數據的采集和存儲、工藝流程畫面顯示、生產過程監控、數據管理、數據庫接口和查詢、生產報表的生成。上位機系統主要由計算機及組態軟件構成。②PLC控制系統。控制系統選用基于西門子S7-300的PLC控制系統及其I/O，用于對現場傳感器、變送器、電力參數信號的采集、運算以及生產過程的自動化控制。系統同時具有極好的擴展性，方便將來對系統進行擴容。③通訊系統。上位計算機對現場所有信號進行管理和控制，PLC及空壓機設備的通訊采用標準化的MOUDBUS協議。電力參數通過R485總線通訊方式傳輸，其他參數通過4mA～20mA信號傳輸。現場儀表則包括：壓力、差壓、溫度、流量、電流等。④數據安全。空壓機組為生產配套關鍵設備，是生產的保障性資源，空壓機本身帶有就地控制功能，由于機組數據通過網絡交換數據，系統設計有安全網關，當網絡數據異常時自動切斷與遠程計算機的通訊并給出相應報警提示，同時確保機組可就地正常啟動。

圖1 空壓機組遠程集中控制系統的構成圖

3 軟件設計及其功能

（1）自動輪換運行。控制系統依照總線所收集到的信號信息，給出一個綜合評估結果，發出控制命令。對空壓機組的運行狀態進行自動監測，將總管壓力控制在壓力上限和壓力下限之間。

（2）空壓機組在持續工作多個小時后，機身溫度升高，關停機器有利于其散發出熱量，避免空壓機組受到損傷。所以，為了增加空壓機組的使用壽命，需要進行設備輪換使用。PLC控制系統可以對空壓機的運行及停機進行排序。

（3）延時啟動和延時停機。PLC控制系統本身擁有一定的抗干擾能力，但在不同外界因素影響下，在總管壓力的作用下，空壓機的壓力值接近限制值，系統會對機器發出的指令進行延時處理，避免操作失誤。

（4）智能保護。空壓機運行智能保護功能可以根據用情況作出判斷，礦山井下用風高頻繁時段，可控制空壓機的啟動次數。當兩次啟動時間間隔小于預先設定的值時，將保持空壓機持續運轉而不停機，當連續兩次加載間隔時間較長時，可認為用風高峰期已過，空壓機投入間斷運行狀態。

4 組態軟件結構

（1）組態軟件設計功能。控制系統上位機的組態軟件符合空壓機組測控要求，真實的模擬了壓機站的工藝流程，工作人員可以在中央控制室內的屏幕上掌握空壓機站的所有狀態，包括故障報警。有操作權限的工作人員可以對壓縮機進行控制操作。

（2）遠程集中監控上位機設計功能。遠程監控上位機主要集中監控空壓機的工藝流程、測量值、設備運行、操作模式、報警記錄、系統調試等。操作者可在中央控制室通過操作屏操作設備的啟動和停止、設定設備的運行參數，觀察設備的運行狀態。能實現監控系統自動/半自動/手動操作模式間的無擾切換；操作員可實時觀察空壓機的運行狀態、送風口的出風溫度和風壓。所有檢測的溫度、壓力等數據，通過曲線或表格形式顯示。并對各類報表的生成及能源計量管理報表生成，將系統采集、存儲的數據，通過MS SQL Server數據庫，實現將實時采集到的能源數據按指定存儲方式不間斷地采集存儲，完成實時及離線的生產數據、設備故障、報警信息、操作記錄等數據進行采集、歸檔存儲。

5 系統特點

該系統運行穩定，安全可靠，提高了空壓機組的運行效率，實現了監控和管理的自動化。該系統不僅可以應用于礦井的空壓機組監控，而且可以推廣到其他場合。

（1）自動化程度高。可實現全自動運行，達到無人值守的目的。

（2）操作方式靈活。系統具備單步操作、半自動一鍵啟停及全自動聯動運行三種運行方式,并具備現場手動操作，現場觸摸屏集中監控及中央控制室遠程監控三種控制方式。