礦井空壓機新型在線監控系統的研究與應用

付潤滋，劉傳營，范傳海，王海峰，王如倉

（兗州煤業股份有限公司濟寧三號煤礦，山東 濟寧273500）

0 引 言

在煤礦生產中，空氣壓縮機（以下簡稱空壓機）主要向井下的風動機械提供動力，其穩定性及可靠

性直接影響到煤礦的安全生產。隨著礦井巷道的不斷延伸，單臺壓風機并不能滿足全部井下供風，需

要多臺壓風機配合供風。隨著單片機、PLC 的大量應用，合理解決設備與設備之間通訊將成為一個重要環節。此外，隨著煤礦從業人員的減少，煤礦企業

面臨的就業人員不足的壓力。因此，設計一個操作方便，功能完善的全自動監控系統對所有的空壓機以及附屬設備進行遠程監控和保護，對于降低設備維護成本，提升工人工作效率有著重要意義。

1 礦井壓風機現狀

兗礦集團濟寧三號煤礦現有10 臺壓風機，其中離心式壓風機1 臺，螺桿式壓風機9 臺，其中9臺螺桿式壓風機利用1 臺S7-200 PLC 遠程集控，后期安裝的離心式壓風機無法集控，只能采用就地人工控制，存在控制方式落后。操作不方便的問題。后期安裝了離心機提熱系統，用于給職工的洗浴用水加熱。同樣是通過西門子S7-300 PLC 控制，各自有著獨立的控制方式。壓風機高壓供電系統采用南瑞RCS9600 系列繼電保護，無后臺監控系統，無法實現后臺監控。現在，迫切需要整合各個子系統。形成一套完善、全面的壓風機監控系統。

2 系統硬件設計

圖1 監控系統控制原理圖

系統以西門子S7-1200 PLC 控制系統為核心，由空壓機及其附屬設備的集中控制部分、工業電視監控部分和電力監控后臺3 部分組成，最終實現空壓機的無人值守聯動控制。體系結構分為3 層結構：現場設備層、PLC 控制層和監控信息層。系統的核心是位于中間層的PLC 控制層，負責對下層控制與上層通訊；最底層為現場設備層，通過開關量信號、模擬量信號以及通訊協議與PLC 相連接；最上層通過工業以太網協議與PLC 相連接。采用分級管控、分層操作的方式，實現了空壓機的集中控制，無人值守。

2.1 現場設備層

壓風機現場設備眾多，包含高、低壓柜，冷卻水循環系統，余熱利用系統、壓風系統。其中任何一個環節出現問題，壓風系統都無法正常運行，影響井下供風。監測系統以modbus 通訊協議為基礎，將所有設備層中的設備進行數據交換，實現PLC 系統的I/O 點信息及各種智能儀表等的采集和上傳，同時傳送集中控制信號到現場設備，完成對現場參控設備的操作、控制、狀態監視、信息傳輸及控制指令的傳達執行。

2.2 PLC 控制層

中間層為PLC 控制層，采用西門子S7-1200 為控制核心，配備多個I/O 模塊和AI 模塊，由上位工控機和PLC 控制系統、硬盤錄像機等設備組成，通過光纖進行通訊連接，采用高性能工控機作為上位機，實現對整個系統設備的集中控制。可實現對壓力、溫度（至少包含空壓機組出廠設計參數）以及電氣參數（包括配電設備母線電壓、開關分合狀態、電機電流、電壓、功率、功率因數等）的連續在線監測功能。

2.2.1 控制方式

系統具備自動和就地控制兩種模式。自動運行方式可實現單臺空壓機遠程一鍵啟動（停止），同時對多臺機組的實現聯動控制，以滿足不同階段時的礦井用風需求，有效防止同時啟動兩臺或多臺空壓機。實現恒壓供風，即系統根據設定的供風壓力值，自動控制設備的卸荷和加載，壓力值或風壓高于設定值時，自動卸荷或停機，低于設定值時，能自動加載或開機。并同時實現空壓機高低壓電源部分遠動功能，真正實現空壓機房設備遠程操控，無人值守。

2.2.2 保護功能

系統具有完備的保護及報警顯示功能，可以實現電機過載停機、電源逆相、缺相保護、排氣高溫跳車、斷水保護、斷油保護、儲氣罐高溫保護、空氣過濾器堵塞報警、油過濾器堵塞報警、油細分離器堵塞報警等，離心機還具備各級排氣壓力、溫度、振動、油壓等保護。現場有保護模擬功能。并能發出聲光報警，提醒維護人員注意。

2.3 監控信息層

PLC 控制柜上裝設有觸摸屏，方便用戶觀察壓風機實時運行情況和現場操作等。控制柜通過以太網通訊模塊與調度信息中心的上位機進行通訊。通過裝設在壓風機房工業以太環網節點交換機，實現壓風機控制柜與上位機服務器的通訊，試驗遠程監控功能。

圖2 壓風機監控系統

系統具有歷史數據（故障報警）查詢功能，能夠查詢之前各類歷史數據及報警記錄。并具有數據統計功能，可以自動統計每日、每月的用風量、每臺空壓機每日、每周、每月運行時間統計。

系統具有故障自診斷功能，能夠根據離心式空壓機冷卻器進、出水壓差產生數據來判斷冷卻器芯堵塞程度，根據設定報警值，有效預防因高溫導致的跳車事故。

系統能夠自動生成運行參數的日報表、月報表及年報表，報表可打印。同時還具備事件打印功能。監控軟件具有設備參數、運行、檢修和維護的管理功能。可實現全自動運行，達到無人值守的目的。

系統具有視頻聯動功能，利用OCX 控件可以在wincc 組態軟件中定義視頻攝像頭IP 地址，當某一設備發生報警時能聯動現場的攝像頭畫面，保證維修人員第一時間了解現場狀況。

3 系統通訊方式

壓風機監控系統采用了多種通訊方式進行設備之間的通訊，這樣有利于設備間數據及時交互。實時共享各自需要的數據，并利用數據分析設備的運行狀態，提高了設備的安全性。

3.1 與螺桿式壓風機通訊方式

壓風機監控系統與螺桿式壓風機之間通訊采用MODBUS RTU 通訊協議方式，先通過螺桿式壓風機操作面板上通訊參數設置，設置螺桿式壓風機的地址號，地址號可設置為1～32。設備默認通訊速度（波特率）9600.無校驗位。連接線采用雙絞屏蔽線，同時雙絞屏蔽線的兩端都接地，以減少現場干擾。并增加了終端電阻Z0=120Ω，減少了反射干擾。通訊鏈接建立后，可以采集螺桿式壓風機溫度，壓力，運行時間、加載時間、故障報警等多種數據。如單獨布線不僅浪費大量的傳感器。而且全部監測量需24個數字量、16 個模擬量。需要至少3 個模塊采能采集，不僅占用大量有限資源，而且信息無法滿足監測需要。利用MODBUS RTU 協議通訊正好解決了此類問題，節省大量的資源。

3.2 與離心式壓風機通訊方式

壓風機監控系統與離心式壓風機之間通訊采用MODBUS TCP 通訊協議方式，通過離心式壓風機操作面板設置IP 地址等參數。利用網線接入工業環網，PLC 利用離心機的MODBUS TCP 通訊協議在環網上讀取離心機的相關數據。既滿足了數據通訊的需要，又簡化了接線方式。

圖3 余熱利用監控系統

3.3 與余熱利用系統通訊方式

壓風機監控系統與余熱利用系統通訊采用profibus 通訊，利用博圖自帶的通訊功能塊FC5 和FC6 成功對需要收發的數據進行轉換傳輸，系統成功調用了余熱利用系統中的冷卻水溫度、冷卻水流量等重要數據，為設置壓風機斷水保護提供了可靠的數據支撐，同時也節省了大量資源。

3.4 與高、低壓供電系統通訊方式

我們先安裝了1 臺南京南瑞繼保有限公司的PCS9799 遠動通訊機對高低壓供電系統進行相互數據交換，然后遠動通訊機利用IEC61850 規約進行數據上送。壓風機監控系統與高、低壓供電系統采用MODBUS TCP 通訊協議，通過博圖軟件內部的數據轉換通訊塊進行數據轉換，實現數據的讀取及數據的處理。

4 系統運行效果分析

壓風機全自動運行方式下，壓風機房不再設置崗位工人，由集控室值班人員負責壓風機系統運行參數的監測，由地面維修人員負責定時到壓風機房巡檢，每天減少固定崗位人員2 人。實現了運行參數的實時監測，運行后及時發現一次螺桿式壓風機電機后軸超溫故障，系統自行進行壓風機的切換并報警，避免了電機燒毀等嚴重后果。系統運行至今，整體安全可靠。

5 結 論

礦井壓風機自動監控監測系統采用了西門子S7-1200 系列PLC 為監控核心，利用MODBUS 通訊協議對離心機、9 臺螺桿機、高低壓供電系統以及余熱利用監控系統進行數據通訊。可以根據供氣壓力自動控制網內空壓機的啟停、并具有實時數據采集、故障診斷、數據管理、圖表輸出、信息查詢、安全授權管理、Web 發布等功能。利用先進的通訊方式節約了大量資金，實現了對空壓機機組的優化調度和運行，達到無人值守，并實現了各個設備之間數據的共享。為控制系統的故障判斷提供了可靠的數據支撐，最大限度發揮空壓機的運行效率，提高了系統的自動化程度。并利用視頻聯動系統，最大限度的保證礦井壓風系統的安全運行。