空壓機自動控制系統及補壓補風裝置的研究與應用

趙德超

摘 要：目前，大平煤礦空壓機就地操作存在一些問題，風壓不足，因此有必要改進空壓機自動控制系統和自動補壓補風裝置。優化空壓機自動控制系統和自動補壓補風裝置設計及其功能，有助于解決問題，實現各種參數的實時在線監測、自動補壓補風以及遠程集中控制等功能。研究結果表明，系統運行穩定可靠，提高了自動化水平，達到無人值守的目的。

關鍵詞：空壓機;自動控制系統;補壓補風;在線監測;集中控制

中圖分類號：TH45文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）12-0084-03

Research and Application of Air Compressor Automatic Control

System and Compensation Air Compensation Device

ZHAO Dechao

（Daping Coal Mine of Zhengzhou Coal Industry （Group） Co.， Ltd.，Dengfeng Henan 452473）

Abstract： At present， there are some problems in the on-site operation of air compressors in Daping Coal Mine， and the air pressure is insufficient. Therefore， it is necessary to improve the automatic control system of the air compressor and the automatic pressure compensation device. Optimizing the design and function of the automatic control system of the air compressor and the automatic pressure compensation device will help solve the problem and realize the functions of real-time online monitoring of various parameters， automatic pressure compensation and remote centralized control. The research results show that the system runs stably and reliably， improves the level of automation， and achieves the goal of unattended operation.

Keywords： air compressor;automatic control system;pressure compensation;online monitoring;centralized controll

空氣壓縮機（簡稱空壓機）是礦山所采用的原動力之一，它的任務就是安全、經濟、可靠地產生足夠數量和壓力的空氣，然后用管道把壓縮空氣送入井下，沿大巷，上、下山到采掘工作面，帶動風動工具工作?？諌簷C的控制方式是現場單臺啟停操作，這樣不僅消耗大量的人力和物力，而且不能保證自身的供風能力、供風時間和供風質量，缺少對主要技術參數的實時監控和安全保護。這樣就不利于對空壓機的維護管理，同時加大了操作維護人員的工作量，對空壓機的使用壽命也有很大的影響[1]。因此，要保證空壓機監控系統的可靠性、安全性，提高空壓機的效率和安全運轉水平。目前主要應用先進的技術將多臺設備并網運行，實現空壓機參數的實時在線監測和遠程集中控制功能，以保證各種保護有效可靠，減少工作量，提高生產效率，改善工人工作環境，延長使用壽命，做好空壓機維護，達到無人值守的目的[2]。

1 概述

大平煤礦地面壓風系統配備4臺螺桿式空壓機，電動機功率為355 kW，2臺額定風壓為0.8 MPa，另外2臺額定風壓為1.25 MPa，運行時壓力設定值為0.5～0.6 MPa。

空壓機采用現場單臺啟停操作的控制方式，人工定時巡查設備并記錄數據。冷卻循環水進出閥門、水泵閥門為老式閘閥，操作費時費力，而且使用壽命短，未實現上位機控制、遠程監控和無人值守控制。但是，供風不穩定，隨著礦井向縱深開采，供風距離延長，運行1臺空壓機時，低壓風量不能滿足現狀，高壓風常處于卸載狀態，高、低壓風量失衡。由于空壓機結構復雜，運行效率低，因此空載運行浪費電能，設備磨損大，運行成本較高。空壓機頻繁啟停，導致使用壽命縮短，增加維護成本和工作量。《煤礦安全規程》對空壓機的運轉有明確的規定，人們需要對其進行自動化改造，實現空壓機自動控制系統及補壓補風裝置各種參數的實時在線監測、自動補壓補風以及遠程集中控制，降低事故發生率，達到管控一體化目的[3-4]。

2 技術方案的確定及實施

2.1 空壓機自動控制系統方案的確定

該系統確定采用西門子S7-300作為監控的中央處理器（CPU），采用研華工控機作為監控上位機。通信采用工業以太網及現場總線技術，配以專用軟件，控制各種參數、位置及開關量的采集和遠程監控，從而實現空壓機房的無人值守功能。

2.2 空壓機自動補壓補風裝置方案的確定

針對高、低壓風量失衡的現狀，將平地兩趟高壓風管路和兩趟低壓風管路通過電動閥門并聯，在低壓風管內安裝壓力變送器，將模擬信號轉換成開關信號，通過繼電器控制電動閥門的開和關來實現風量的補償，從而減少空壓機的運行臺數，降低井下供風系統的用電量。

3 空壓機自動控制系統

空壓機自動控制系統硬件主要包括可編程邏輯控制器（PLC）控制柜、研華27寸工控上位機、就地操作箱、電動閘閥、壓力傳感器、溫度傳感器及高清攝像頭等設備。

3.1 PLC控制柜

PLC控制柜采用西門子S7-300作為監控CPU，用于集中控制空壓機的加載、啟動、卸載、停止、一鍵倒機及故障停機等功能，實現對空壓機各運行參數的在線監測，實現水泵、閘閥、球閥和風扇等設備的啟動、停止等控制功能，并實現對上述設備運行狀態信息的采集。PLC控制柜內安裝有交換機，能通過環網實現數據共享。上位機操作臺安裝有小型交換機，共有6個網口、2個電口?，F場數據可通過該交換機進入環網實現數據共享?？諌簷C數據和高壓柜數據通過Modbus模塊進入PLC CPU處理器。

3.2 就地操作箱

就地操作箱安裝在泵房中，可以實現對水泵、閘閥等設備的現場操作，如水泵的啟停、閘閥的開關等操作。就地操作箱上安裝有指示燈，可以顯示各設備狀態，如水泵的運行、停止和故障以及閘閥的開關到位等。

3.3 電動閘閥、壓力傳感器

空壓機自動控制系統采用常州蘭陵Z941H-16 DN80型礦用電動閘閥，總計3臺。電動閘閥額定電壓為380 V，額定電流為2.6 A，功率為0.75 kW;電動閘閥可實現手動操作、閘閥現場電動操作、閘閥遠程電動操作，從而保障閘閥的動作，避免對現場產生不必要的影響。

壓力傳感器采用GPD6型壓差變送器。其中，負壓傳感器有3個，工作電壓為24 V，測量范圍為-100～400 kPa，輸出信號為4～20 mA;壓力變送器有1個，工作電壓為24 V，測量范圍為0～2.5 MPa，輸出信號為4～20 mA。

3.4 控制系統軟件

系統采用研華工控上位機作為監控上位機，采用專業軟件MCGS，通過上位機人機界面實現對平地工業廣場空壓機系統的在線監測及操作。系統上位機界面主要包括三部分，一是主畫面，二是系統集中控制和單機控制畫面，三是空壓機監測、報表、趨勢曲線及報警設置畫面。操作員可在監控中心對4臺空壓機進行單機手動控制和聯機自動控制。

3.5 補壓補風裝置的設計

大平煤礦井下高、低壓風由兩趟不同管路向井下供應，補壓補風裝置將不同風壓的供風管路連接起來，用壓力傳感器檢測相應的風壓，利用電動閥門的閉合、斷開來實現風量的補償。

3.5.1 自動控制。將轉換開關扭轉到自動狀態，壓力傳感器檢測到低壓管路風壓設定的下限值時，J2繼電器得電，常開點閉合，閥位顯示器檢測的信號是關到位，J3繼電器的常閉點處于閉合狀態，FC繼電器得電，控制電動閥門的電動機反轉，電動閥門自動打開。當閥位傳感器檢測到開到位時，J3繼電器得電，其常閉點斷開，FC繼電器斷電，此時，高壓風向低壓風管路內補償風量。同理，當檢測到低壓管路風壓高于設定的上限值時，J1繼電器得電，最終實現電動閥門關閉，停止高壓風對低壓風的補償[5]。電氣控制原理如圖1所示。

3.5.2 手動控制。當發現低壓風系統風壓較低時，將轉換開關調整到手動狀態，按下SB2按鈕，待電動閥門開到位，松開按鈕即可[6]。

3.6 主要功能

一是可實現就地手動操作、上位機+觸摸屏監控和多臺空壓機及相關冷卻和管路系統閥門的自動聯動控制，按程序執行啟動/停止空壓機操作，實現全自動化運行，無人值守[7]。二是正常供風時開動1臺空壓機，當風壓低于0.5 MPa時，自動加載，若壓力低于0.45 MPa，則高壓風自動向低壓管路進行補壓、補風;當風壓達到0.55 MPa時，系統自動停止補壓、補風，它可以按現場需要自動啟?？諌簷C[8]。三是實現空壓機及冷卻水泵自動輪換功能。四是完成各種參數連續在線監測功能，并提供空壓機控制信號和風機與風網的正常匹配。五是具有完備的保護及報警顯示功能，發生安全保護動作時能切換到報警窗口。六是上位機可實時顯示壓風機風量故障曲線和歷史曲線。七是具備生成各種報表和事件打印功能。

4 關鍵技術

一是實現空壓機運行參數實時在線監測功能。二是提高了系統自動化程度和運行可靠性，始終使空壓機運轉達到最優狀態。三是自行設計高、低壓風管路補壓補風裝置并安裝，與空壓機自動控制對接，滿足礦井的供風需求。

5 應用效果及效益分析

5.1 應用效果

空壓機自動控制系統及補壓補風裝置的應用實現了從專人值守到自動運作的轉變，減少了崗位用工，降低了職工的勞動強度，同時提高了礦井安全生產水平和管理效率，為節支降耗、開源節流開辟了新的途徑，使用效果良好。

5.2 效益分析

5.2.1 經濟效益?？諌簷C使用自動控制系統及補壓補風裝置，有效提高了空壓機機組各部件的使用效率及使用壽命。自動化監控裝置能直觀全面地掌握設備運行狀況，未使用補壓補風裝置前，井下用風高峰期，每天需要另外開1臺空壓機來補充風量2 h左右，使用補壓補風裝置后，不需要另外開空壓機來補充風量。空壓機電動機功率為355 kW，每天減少運行時間2 h，電費平均按0.75元/（kW·h）單價折合，通過計算，每月可節約電費（355×2×30）×0.75=15 975元。由于簡化了操作，實現了自動控制，有效地減少了設備維護費用和人工費用，每月可節約維修費用12 000元、人工費用11 400元（減少崗位工3人，每人平均月工資3 800元），全年可節約費用（15 975+12 000+11 400）×12=472 500元。

5.2.2 社會效益。從空壓機自動控制系統及補壓補風裝置投入情況來看，該系統和補壓補風裝置運行可靠，滿足了井下用風量的需求，保證了礦井安全生產。其維護方便，監控過程直觀明了，不但減少了設備維護量，降低了勞動強度，而且減小了空載運行時問，降低了工序能耗，實現了節能降耗的目的。

6 結語

空壓機自動控制系統及補壓補風裝置實現了各種參數的實時在線監測、自動補壓補風以及遠程集中控制等功能，出現故障停機后，可實現自動倒機運行功能，最大限度地保證了動力用風的安全和不間斷供應。系統維護方便，運行穩定可靠，降低了空壓機耗電量和機械磨損，提高了經濟效益，減少了崗位用工，改善了工人工作環境，降低了事故發生率，延長了空壓機使用壽命，達到無人值守的目的。

參考文獻：

[1]張喜萍.煤礦壓風機自動控制系統的應用研究[J].中州煤炭，2016（12）：96-99.

[2]王勇.基于遠程監控的壓風機自動運行系統研究[J].中州煤炭，2016（12）：87-90.

[3]國家安全生產監督管理總局，國家煤礦安全監察局.煤礦安全規程[M].北京：煤炭工業出版社，2016：16-17.

[4]槐利，譚一川，程玉龍.基于PLC的煤礦壓風機自動控制系統[J].工礦自動化，2012（4）：13-16.

[5]永輝，范廷瓚.煤礦電工手冊[M].北京：煤炭工業出版社，1999：40-41.

[6]大平礦中、低壓空壓機風量補償裝置的研究與應用[J].科技風，2012（18）：89.

[7]楊秋鴿，沈占彬.空壓機群組監控系統的設計[J].工礦自動化，2010（9）：85-87.

[8]陳定永，宋炳雷，李尊龍.壓風機恒壓供風系統設計[J].工礦自動化，2012（10）：98-100.