空壓機檢測與控制系統的研究

趙丞達

（華陽集團一礦，山西 陽泉 045000）

引言

壓風系統是礦井生產系統的重要組成部分之一，其為風鎬、氣錘、氣動鑿巖機等風動機械設備提供動力，由空氣壓縮機、空氣過濾器、安全保護裝置等組成[1]。空氣壓縮機（簡稱為“空壓機”）是壓風系統的關鍵部件，能夠將空氣壓縮并運送，同時能降低設備溫度，提供空氣壓力動力[2]。因此，建立穩定、高效的空氣壓縮機監控系統是一個重要的研究課題。近年來，國內外專家在空氣壓縮機的自動化方面開展了大量的研究工作，并取得了優秀的研究成果。如國外研發的PDM 3000型空氣壓縮機在線實時監控系統[3]，能夠實時顯示空壓機的重要參數，同時發出啟動、關閉、停機或報警等預警信號，實現了空壓機的高效自動化管理，大幅度降低了人力成本；國內如哈爾濱工程大學丁才發教授團隊研發的SACDS 空壓監控系統[4-5]，能實現熱力、振動、電流等80 多個參數的在線監控。綜上所述，空壓機監控系統的研發和應用是未來礦井生產系統的關鍵。本文以通礦集團大成礦在用空壓機為研究對象，設計了空壓機的自動化監控方案，該方案基于PLC、觸摸屏和組態軟件對空壓機的運行狀態進行監控，并提供空壓機的啟動、停止和報警等控制操作，保證空壓機的安全、穩定運行。

1 空壓機檢測與控制系統硬件設計

1.1 傳感器的選擇

由于監控系統的主要作用是檢測空壓機的運行參數，如排氣溫度、排氣壓力、主機電壓和電流、電動機運行狀態和電機振動，因此傳感器的性能將直接影響監控效果。本文重點討論了溫度傳感器、壓力傳感器、電動機參數采集模塊與互感器和電動機振動傳感器的選擇。

1.1.1 溫度傳感器

常用的溫度傳感器有熱電偶溫度計、液體膨脹式溫度開關和固體膨脹式溫度開關3 種，其中固體膨脹式溫度開關適用于100 ℃以下的溫度檢測，液體膨脹式溫度開關多在100～250 ℃的溫度范圍內使用，而熱電偶溫度計適合250 ℃以上溫度的測試。當空壓機內溫度超過1 100 ℃時，空壓機需停機報警，因此本文選擇熱電偶型傳感器，溫度檢測元件為ZSBWR 一體化數顯溫度變送器。

1.1.2 壓力傳感器

空壓機的正常運行需滿足以下兩個條件：一是保證潤滑油壓力在一定范圍內，若壓力超過0.17 MPa時，空壓機啟動運轉；當壓力下降至0.14 MPa 時，空壓機停止運轉。二是空壓機的出口排氣壓力要保持在一定范圍內，若壓力超過0.75 MPa，空壓機停止運轉，這一措施的目的是防止壓力過大造成機器損壞。本文采用MB420 智能壓力變送器監控潤滑油壓力和出口排氣壓力。

1.1.3 電動機參數采集模塊和互感器

本文采用EDA9033A 三相電參數采集模塊，能夠直接采集電動機的三相電流，三相電壓，三相有功功率、無功功率及功率因數，具有方便快捷、安全系數高、成本低等優勢。根據主機電流的大小選擇合適的互感器，互感器包括C-26、C-30 和C-64 三種類型。C-26的內徑為26 mm，電流范圍為0～300 A；C-30的內徑為30 mm，電流范圍為0～400 A；C-64的內徑為64 mm，電流范圍為0～1 000 A。根據本文主機電流大小，最終選擇電流范圍為0～300 A的C-26型。

1.1.4 電動機振動傳感器

電動機振動的正常與否是判斷設備是否需要停機維修或保養的重要依據，標準的電動機振動頻率為4.5 mm/s，根據振動頻率，從而確定電動機的運行狀態。本文選擇BVM-200B 一體化型振動變送器，能夠監控包括機殼、軸瓦、軸系等在內的振動形式。

1.2 PLC的選擇

傳統的礦井空壓機采用繼電器控制系統，該系統控制線路復雜、工作人員操作難度大、維護不便、成本昂貴，嚴重影響了煤礦的高效生產。而PLC 控制系統將繼電器控制技術、計算機技術和通信技術三者完美結合，具有功能強大、抗干擾性高和可靠性強的優點。PLC 作為監控系統的核心，采用3 層集散的結構框架，由數字量和模擬量的模塊采集空氣壓縮機的傳感器等信息，啟動編譯程序，輸入采集信號進行邏輯運算，最終啟動相關指令。PLC的選擇應滿足以下3 個條件：PLC 機型與目標任務相匹配；數據處理速度足夠快，滿足實時監控要求；PLC 機型應保持一致。經過比較和篩選，本文選用西門子生產的S7-200 系列的224XP-PLC。為保證足夠的計算容量，經過計算輸入點數為14，輸出點數為10。根據監控系統的要求確定系統的輸入和輸出設備。本文對3 臺空氣壓縮機進行了檢測和控制，輸入設備包括14 個按鈕開關，10 個模擬量輸入，輸出設備為25 個控制繼電器。

2 空壓機檢測與控制系統軟件設計

空壓機檢測與控制系統的軟件設計包括上位機和下位機程序設計兩部分。下位機程序包括控制系統主程序、A/D 轉換子程序和3 個空壓機的報警子程序。此外，自動化控制方案的創新之處在于添加了觸摸屏，便于人機交流。觸摸屏的設計是在Easy Builder 8000 軟件中完成的，根據監控系統監視內容確定觸摸屏的參數畫面。參數設置完成后，將觸摸屏連接至PLC 和上位機，最終在觸摸屏上可以實時顯示空氣壓縮機的狀態參數，同時操作人員可以通過按鈕控制開關量，對用戶現場測量觀察系統及設備的性能具有很重要的作用。上位機程序通過組態軟件進行編譯，組態主畫面能夠進行相應控制操作，同時以圖像或實時動態的形式顯示空壓機的運行狀態和監測參數值。

考慮到用戶需要根據參數變化趨勢進行原因分析，本文在組態設計時添加了實時、歷史趨勢曲線的界面，實時趨勢曲線是實時監控參數的變化趨勢曲線，歷史趨勢曲線是對歷史數據進行了再分析，方便用戶總結規律，同時用戶可在報表畫面查詢、編輯或打印歷史或實時數據。空壓機監控系統的主要功能之一是，當實時狀態參數超過設定值后提供報警信息。本文在組態軟件設計時設置了4 個越限報警功能，即當排氣溫度過高、潤滑油壓力過低、排氣壓力過高和電動機振動過快時，監控系統就會發出警告，引起工作人員注意，并采取相應的措施。

3 應用效果

針對礦井空氣壓縮機的檢測和控制系統進行了優化和改進，采用傳感器采集空壓機溫度、壓力和電機振動等狀態參數，確定了各監控參數的傳感器類型；通過PLC、觸摸屏和組態軟件對空壓機進行了檢測和控制。該自動化監控系統功能強大、操作方便、易于維護，保障了礦井的安全生產。