礦井空氣壓縮機智能監測監控系統升級設計及應用

張生晨

（汾西礦業集團柳灣煤礦，山西 孝義 032300）

空氣壓縮機是礦井重要的動力設備，是礦井的原動力之一，用來向風鉆、風鎬等風動工具輸送高壓氣體，從而驅動設備工作。其最大應用優勢是能夠驅動空氣、無觸電危險、不產生火花，能夠適用于高濕度、高溫度、多粉塵的井下工作環境，在我國井工煤礦中得到了廣泛應用。但是，由于部分礦井空氣壓縮機服務年限較長，存在不同程度的效率低、能耗大、自動化程度低、故障率高等問題，更為突出的是低負荷或空負荷運轉的比例過高，導致電能浪費，運行成本較高。然而由于空氣壓縮機配套的附屬設施、管路較為復雜，更新換代的難度較大[1-4]，因此應對礦井空氣壓縮機設計并安裝一套監測監控系統，對空氣壓縮機的運行狀態進行實時監控，保障設備安全穩定運行，并根據使用情況自動調整工作模式，減少能耗。

1 監測監控系統功能要求

目前，我國使用的空氣壓縮機類型較多，按照結構形式可分為活塞式、滑片式和螺桿式，按照冷卻方式可分為風冷式和水冷式。某礦使用L5.5-40/8型空氣壓縮機為螺桿式雙缸復動水冷式空氣壓縮機，布置及使用方式為：工業廣場安裝4臺，3臺工作，1臺備用；東風井安裝5臺，3臺工作，2臺備用；-600井下壓風機房安裝4臺，3臺工作，1臺備用，三個壓風機站共13臺空壓機并網工作。L5.5-40/8型空氣壓縮機的工作機構主要包括壓縮部、操作部、傳動部、潤滑部、冷卻部等，主體結構包括橡膠聯軸器、傳動齒輪、陽螺桿、陰螺桿及各部軸承，如圖1所示。

結合該礦井空氣壓縮機的使用情況，針對L5.5-40/8型空氣壓縮機設計監測監控系統。為滿足安全生產要求，所設計的監測監控系統需具備以下功能[5-6]：

圖1 L5.5-40/8型空氣壓縮機主體結構示意圖

1）首位功能是能夠對空氣壓縮機的運行情況進行實時監控，及時捕獲、存儲、分析相關數據，保障系統穩定運行；

2）關鍵功能是保障安全功能，即對空氣壓縮機運行過程中出現的各類故障進行識別并及時預警，對故障處置提供參考，并能夠緊急停機；

3）可實施變頻控制與監控系統一體化改造，以降低能耗，提高設備運行效率；

4）良好的人機交互功能，即通過控制中心的人機交互程序，能夠實現實時監控、人工干預、參數調整、歷史數據分析等功能。

2 智能監測監控系統方案的設計

2.1 系統總體架構的設計

根據系統的功能要求和相關設計原則，系統必須能夠實現上位機遠程監控及下位機就地控制，在整體的通訊網絡中，上位機通過交換機對接可編程邏輯控制器即PLC，PLC再通過現場安裝的各類智能儀表和傳感器對空氣壓縮機的運行狀態和參數進行監控，實時地對數據進行采集和傳遞，當設備運行參數異常或發生故障時就會發出警報，并通過人機交互指示工作人員進行故障處置。PLC還與空氣壓縮機的就地控制器建立聯系，此模塊保留了設備的就地操作功能，對系統運行起到雙保險作用。除此之外，系統的智能性還體現在設計增加了變頻器組，此模塊由PLC對風壓用量需求進行采集和分析，計算出空氣壓縮機所需的功率和機組數量，并持續將調節信號傳遞給空氣壓縮機組的變頻器組，從而實時調節機組運行參數，實現變頻降耗的功能。整個系統設計方案如圖2所示。

圖2 智能監測監控系統總體方案示意圖

2.2 系統通訊網絡的設計

網絡協議即網絡（包括互聯網）中傳遞、管理信息的一些規范。通訊網絡的設計主要包括管理層網絡和設備層網絡的設計，兩層網絡結構設計可采用不同協議，但必須具備良好的互通性。根據既定設計思路，管理層網絡設計采用Ether Net/IP網絡協議，該協議模式比較常見，穩定性較高，能夠適用于數據量較大的網絡系統；而設備層網絡因設備多、線路多，容易造成數據的干擾或阻塞，設計采用一個主站多個從站的架構，通訊協議采用RS-485模式，該模式信息傳輸穩定、抗干擾性強，適用性較好。

2.3 系統硬件的設計

根據系統總體的設計思路，系統硬件設計基于核心的CPU225模塊，關鍵是PLC的選型設計，本系統基于礦井實際情況，選用通用公司GE型PLC，一是具備可靠的兼容性，二是具備極高的穩定性。硬件系統，一是對接溫度、流量、壓力等傳感器，二是對接電源模塊、檢測模塊、網絡通訊模塊，三是對接顯示和操作系統模塊，實現人機交互，硬件結構設計如圖3所示。

除了硬件設計，本系統的重點環節還涉及到變頻器的選擇，目前，礦井機電設備的變頻改造技術已逐漸趨于成熟，但如何選型至關重要。按照該礦井的具體生產條件和設備現狀，經過綜合技術及經濟效益對比，設計選用ACS-510型變頻器組，對空氣壓縮機進行變頻改造。

圖3 監測監控系統硬件設計示意圖

3 系統應用情況分析

該礦井與有關科研院所對監測監控系統架構、軟硬件系統、網絡布置等展開聯合研究，成功設計了一套基于L5.5-40/8型空氣壓縮機的智能監測監控系統，并在該礦井展開工業性試驗，經過一段時間的安裝調試及運行，效果明顯。一是空氣壓縮機運行情況穩定，壓力數據反饋平穩，風壓供給充足；二是節能效果充分顯現，實施變頻改造后，空氣壓縮機的運行功率和臺數根據實際風壓需求量得到實時調整，最大限度降低了設備空轉或低負荷運轉的時間，減少了人工干預的停開機次數，降低了對電網的沖擊；三是減少了設備的無功損耗，能夠降低設備故障率，延長了設備使用壽命；四是人機交互性較好，便于操作，在設備發生故障時及時發出預警并提供處置方案，安全性高。

4 結語

隨著煤礦自動化和少人化作業需求的進一步提升，對礦井設備更新換代或改造升級的要求也隨之提高。如何在國家安全法律法規和行業規章制度的規范下對礦井各大系統進行優化提升，同時實現最大的安全效益和技術經濟效益是科研技術人員的重點努力方向。