礦井空壓機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的研究

武嫻花

（華陽二礦經(jīng)營管理部，山西 陽泉 045008）

引言

煤礦空氣壓縮機(jī)是煤礦開采的主要動力系統(tǒng)，通過對礦井內(nèi)空氣進(jìn)行壓縮，減小同等質(zhì)量空氣的體積，增大礦井內(nèi)的系統(tǒng)壓力，從而產(chǎn)生動力源，帶動煤礦內(nèi)的風(fēng)鉆、風(fēng)動鑿巖等機(jī)械設(shè)備作業(yè)。礦井空壓系統(tǒng)不僅工作效率高，而且安全系數(shù)優(yōu)于電氣設(shè)備，降低了瓦斯和粉塵爆炸的風(fēng)險。但是礦井空壓機(jī)本身仍存在一定的缺點(diǎn)，比如在空壓機(jī)運(yùn)行過程中易出現(xiàn)供風(fēng)不足、風(fēng)包缺陷、積碳燃燒等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致生產(chǎn)故障，因此加強(qiáng)煤礦空壓機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控是煤礦安全生產(chǎn)管理的一個重要內(nèi)容[1]。本文針對空壓機(jī)中常出現(xiàn)的故障，提出了針對性強(qiáng)、診斷效率高的遠(yuǎn)程監(jiān)測方案。

1 空氣壓縮機(jī)簡介

煤礦一般使用的是螺桿式空氣壓縮機(jī)[2]，具有高效率、高安全性、噪音低和不易損壞的優(yōu)點(diǎn)，它持續(xù)輸出壓縮空氣作為井下機(jī)械設(shè)備的動力。一般由機(jī)體、壓縮、傳動、潤滑、冷卻、操縱調(diào)節(jié)和動力等系統(tǒng)組成，其主要部件功能如下：空氣濾清器提示壓縮機(jī)是否需要除塵保養(yǎng)；進(jìn)氣閥用于調(diào)節(jié)井內(nèi)真空；溫度傳感器檢測排氣溫度，超過設(shè)定值后發(fā)出報警信號；油位檢測器控制壓縮機(jī)內(nèi)油位；油過濾器去除油中顆粒，防止對轉(zhuǎn)子、齒輪、軸承等機(jī)械旋轉(zhuǎn)部位造成損害；油氣分離器將壓縮機(jī)內(nèi)0.1 um 以上的霧狀油氣濾去；安全閥作為備用部件，主要用于當(dāng)壓力開關(guān)出現(xiàn)故障時自動打開泄壓，而壓力維持閥時是確保壓縮機(jī)內(nèi)壓力穩(wěn)定的重要裝置。空壓機(jī)的工作原理是先由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動至進(jìn)氣口，將空氣引入壓縮機(jī)，然后密封；進(jìn)入機(jī)內(nèi)的氣體被壓縮至一定體積，達(dá)到額定壓力值，最后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到排氣口，排出氣體。

2 空氣壓縮機(jī)監(jiān)控方案的確認(rèn)

以錢家口煤礦為研究對象，分別在井下800 m水平安裝六臺空氣壓縮機(jī)，井上安裝四臺空氣壓縮機(jī)，監(jiān)控方案需滿足以下五個功能[3-4]：

1）實(shí)時采集壓縮器排氣溫度數(shù)據(jù)，超出正常范圍進(jìn)行預(yù)警和自動停機(jī)命令；

2）實(shí)時采集壓縮機(jī)排氣壓力數(shù)據(jù)，超出正常范圍進(jìn)行預(yù)警和自動停機(jī)命令；

3）油過濾器堵塞并預(yù)警；

4）油氣分離器堵塞并預(yù)警；

5）壓縮機(jī)內(nèi)外壓力差超過0.18 MPa，壓縮機(jī)自動停機(jī)。

系統(tǒng)的監(jiān)測參數(shù)主要有壓力、溫度、流量。當(dāng)各參數(shù)超過閾值（見表1）時，系統(tǒng)預(yù)警并進(jìn)入自動停機(jī)保護(hù)狀態(tài)。

表1 檢測參數(shù)閾值表

空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)包括上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)和下位機(jī)現(xiàn)場監(jiān)控與控制子系統(tǒng)，首先由井上和井下的邏輯控制器采集壓縮機(jī)數(shù)據(jù)，通過PLC 總線系統(tǒng)傳輸至上位機(jī)，同時設(shè)備若出現(xiàn)異常，系統(tǒng)進(jìn)行聲光報警提示。下頁圖1 為監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

3 空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的硬件研究

空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分由井上和井下兩部分組成，以可編程邏輯控制器為核心，由傳感器、控制器和通訊系統(tǒng)等組成。由傳感器將采集的各種參數(shù)傳輸給PLC 進(jìn)行處理和計算，再將結(jié)果輸出顯示或者作為報警信號。其中PLC 硬件模塊選擇如下：CPU 模塊選擇8 位的小型PLC 微處理器，型號為西門子S7-200CPU226，用來存放系統(tǒng)和用戶程序；顯示模塊采用威倫通7 寸觸摸屏，通訊模塊選擇西門子網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模塊，模擬輸入輸出模塊為EM231，采用差分或隔離方式，增強(qiáng)系統(tǒng)對輸入信號的抗干擾能力。

傳感器的選擇要考慮抗干擾能力、耐腐蝕能力、抗震能力和耐高溫能力，在礦井中常用的溫度傳感器有熱電偶測溫傳感器、冷端溫度補(bǔ)償、熱電阻傳感器、WTQ（Z）-288型溫度檢測儀、XCT-102型溫度調(diào)節(jié)器和XU-200型溫度繼電器，其中熱電偶傳感器的應(yīng)用最廣泛，具有測量范圍寬、準(zhǔn)確度高和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)；壓力傳感器常用的有彈簧管壓力傳感器，以彈簧管作為壓力敏感元件，適用于流體重力的測量，錢家口煤礦選用電觸點(diǎn)壓力表和YTZ-150型壓力表，其中電觸電壓力表安裝在室內(nèi)，YTZ-150型壓力表不僅可實(shí)現(xiàn)就地壓力檢測，還可通過通訊系統(tǒng)傳輸至遠(yuǎn)程控制軟件；流量傳感器可根據(jù)壓縮機(jī)類型和用途的不同進(jìn)行選擇，如LCX型流量傳感器可以作為空壓機(jī)冷卻水流量遠(yuǎn)程監(jiān)測和報警裝置，射流式流量傳感器一般安裝在空壓機(jī)冷卻水管上，漂浮式流量傳感器一般設(shè)置在空壓機(jī)冷缺水開路循環(huán)系統(tǒng)的排水漏斗的下方，當(dāng)冷卻水中斷時，基于水漂浮原理控制電氣觸點(diǎn)，觸發(fā)警報或緊急停機(jī)；漏斗式流量傳感器即采用排水漏斗監(jiān)視水流，水流正常時，報警電路斷開，流量超出閾值時，漏斗下端的連接杠桿順時針旋轉(zhuǎn)，電路接通并觸發(fā)報警。

4 系統(tǒng)軟件程序的研究和開發(fā)

系統(tǒng)軟件程序的開發(fā)包括上位機(jī)和下位機(jī)程序，上位機(jī)程序功能包括實(shí)時和歷史數(shù)據(jù)顯示、實(shí)時歸類顯示、報警數(shù)據(jù)顯示、當(dāng)前配置顯示等，并具備語音和圖形功能，同時也具備便利的查詢功能，可對整個數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行查閱和檢索，還可以根據(jù)使用需求，在不影響系統(tǒng)其他部分正常工作的前提下，添加或刪除分站或傳感器等設(shè)備，在軟件中分別設(shè)置了系統(tǒng)界面、主界面和運(yùn)行界面，系統(tǒng)界面包括操作人員登錄系統(tǒng)以及相關(guān)參數(shù)修改，主界面能夠直接反應(yīng)空壓機(jī)的運(yùn)行狀況，實(shí)時顯示壓力、流量等數(shù)據(jù)，以及指示燈報警和緊急停機(jī)按鍵，運(yùn)行界面則能將設(shè)備運(yùn)行的所有狀況保存在數(shù)據(jù)庫，減少了人工巡視和記錄。在下位機(jī)主程序中，首先當(dāng)系統(tǒng)上電、復(fù)位后，系統(tǒng)開始初始化，由MODBUS 通訊子程序進(jìn)行通訊故障判斷，若故障確認(rèn)存在，則輸出故障提示或預(yù)警；若故障不符合，執(zhí)行下一級命令，讀入數(shù)據(jù)存儲區(qū)和設(shè)定值，再次進(jìn)行故障判斷，若符合則觸發(fā)報警；若仍不符合，則通過遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)傳輸反饋結(jié)果，系統(tǒng)返回到初始狀態(tài)。

5 結(jié)論

針對空壓機(jī)的監(jiān)測系統(tǒng)，主要將原先的由繼電器線圈控制機(jī)械觸點(diǎn)動作的線路替換為邏輯控制電子觸點(diǎn)的PLC，同時采用智能數(shù)字化的傳感器，使得監(jiān)測系統(tǒng)工作效率和安全系數(shù)大幅度提高，操作和使用明顯簡化，高效地實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。