煤礦用空壓機智能群控節能控制系統的應用研究

馮屯生

(山西潞安集團 余吾煤業有限責任公司，山西 長治 046000)

空壓機作為壓縮空氣的設備，廣泛應用于化工、礦山、冶金、電力、紡織等各種行業。隨著礦井生產技術的快速發展和裝備水平的不斷提高，高產高效綜合機械化采煤工作面不斷涌現，與其配套的多巷道同時掘進采煤工藝得到了廣泛應用，同時也對空壓機智能化控制提出了更高的要求。以余吾煤業空壓機為分析對象，盡管目前該礦井中空壓機設備采用了先進的局部集成控制系統，但不能遠程控制，而且沒有數據記錄和后臺分析管理功能，管理和調度人員無法及時了解空壓機的運行狀況、能耗和能效情況，更無法在緊急狀態時對其進行操控。

因此，研究智能群控節能系統，對空壓機的運行狀態、運行環境、能耗情況進行實時、準確地監測，對促進煤礦安全生產、提高生產效益有著重要意義。

1 余吾煤業空壓站現狀及存在問題分析

1.1 空壓站現狀分析

余吾煤業公司壓風系統采用分區供風方式，分為中央區，北風井、南風井壓風系統。其中，北風井空氣壓縮機站2010年完成安裝調試，配備2臺LS25S-300HAC型和3臺LS20-150HAC型空氣壓縮機。南風井空氣壓縮機站2013年建設完成并投入使用，裝備5臺SA-250A-10KV型螺桿式空氣壓縮機，為南風井采區服務。該礦井空壓機直接運行成本統計結果見表1。結果顯示：隨著采掘延伸，空氣壓縮機運行效率降低，維護費用逐年遞增，運行成本大幅增加。

表1 余吾煤業礦井空壓站直接運行成本統計 單位:萬元

1.2 當前存在問題分析

該煤礦空壓機存在較多問題，主要包括以下幾點：

1) 單臺螺桿空壓機效率偏低，能耗較高；

2) 螺桿空壓機加、卸載頻繁；

3) 空壓機管理不到位，維保不到位，費用偏高；

4) 機器性能衰減嚴重，產氣量達不到設計要求；

5) 系統壓力設置偏高，波動較大；

6) 自動化水平低，不能按照生產需求及時調整供氣量；

7) 系統設計不合理，設備運行難以優化，缺少調節手段；

8) 設備管理層缺少有效的監督手段；

9) 缺少有效的能耗監測和能源管理手段。

造成螺桿空壓機效率下降、能耗高的因素有很多，如進氣濾芯和油氣分離器堵塞等，而監測進氣負壓和油路壓差，則可避免上述原因造成的問題。

通過對該礦井中現有的監控系統進行測試可知，壓縮空氣需求變化較大且頻繁，造成壓力波動，運行工需頻繁調整，勞動強度較大，采用空壓機智能群控節能控制系統的智能控制可改善此種狀況。監控平臺運行界面及限時流量如圖1、圖2所示。

圖1 現有礦井空壓站監控平臺示意

圖2 現有礦井中空壓機限時流量運行曲線圖

針對余吾煤業空壓站現狀，充分利用現在先進的云端智能控制技術，通過對空壓機群云端監控、智能控制技改后，大部分問題可通過空壓機智能群控節能系統解決。

2 空壓機智能群控節能控制系統的設計

2.1 實施技術路線設計

控制系統通過軟硬件相結合監測整個站房數據，通過采集設備的實時壓力、流量、功率、溫度、空油濾的壓差、軸承的溫度及保養后運行時長等數據，及時發現問題，對采集數據進行理論分析研究，通過模擬和現場實驗來確定空壓機智能群控節能控制系統的邏輯架構、控制策略、參數設置、預警提醒等功能，使系統通過模糊運算、智能研判，做出相應的調整、優化。實現設備最優控制，使每臺設備都運轉在最經濟、高效的區間。

2.2 總體方案設計

節能控制系統主要由多組空壓機、流量計、電能表、攝像頭、工控電能、云平臺、云盒、PC或手機端等組成，系統至少能控制5組以上的空壓機，配套了5組流量計及電能表，可實現對空壓機消耗電量的控制及顯示。通過工控機采集各臺空壓機和儀器、儀表的數據。在空壓站內安裝兩個攝像頭。通過安裝4G云盒模塊采集現場各種參數，控制指令上傳至云平臺進行雙向傳輸。

通過此系統，能實現對整個監控站流量、實時功率、累計流量、累計電量等關鍵參數的實時監測及控制?？諌簷C智能群控節能控制系統框架圖如圖3所示。此系統具有控制精度高、數據采集實時準確、節能效果好等特點，能滿足對空壓機的節能控制需求。

圖3 控制系統組成框架圖

2.3 集控系統設計

2.3.1 工業電腦匹配設計

工業電腦是整個系統的控制中心。設計系統時，考慮在空壓站操作室安裝1臺工業計算機采集各臺空壓機和儀器儀表的數據。選用臺灣研華工控機，機箱型號為IPC-610-BTO，主板型號為AIMB-501G2-KSA2E(工業級母版)，CPU采用I5-2400，內存設計為4G，硬盤為1 T，顯示器選用飛利浦的223V5L型，設置了10個串行通信接口(com1-com10)，2個以太網口。該工業電腦與整個系統進行匹配應用，能更好地實現空壓機的節能控制及顯示。

2.3.2 電能表匹配設計

為更好地掌握每臺空壓機的用電量，需給每臺空壓機匹配1臺具有通訊功能的電能表，型號為DSZ71-100V。由于本站選用的空壓機均選用10 kV的高壓電機，故將電能表安裝在每臺空壓機的高壓配電柜內。將10 kV的高壓經過電壓互感器和電流互感器轉換為100 V和0～5 A的電流接入電能表。同時，和上位機(工控機)進行通信連接，可監測每臺空壓機的實時能耗及用電情況。

2.3.3 云盒及視頻攝像頭匹配設計

安裝4G模塊，將現場采集的各種參數和控制指令上傳至云平臺進行雙向傳輸。在空壓站內安裝兩個杭州海康威視C3WN攝像頭，在對各項數據監控的同時做到對站內的情況進行實時視頻監控可以在遠端通過電腦端和手機端實時查看空壓站的情況。排除安全隱患，保障安全生產。

2.4 風機空壓站匹配設計

空壓站中匹配了5臺參數一致的空壓機，型號為SA250A-10K螺桿空壓機，排氣量為42.0 m3/min，額定/最大排氣壓力：0.7/0.75 MPa，機組輸入比功率：6.2 kW/(m3/min)，電機功率為250 kW?？諌簷C采用日本三菱的FX2N-32MR PLC為控制核心，配有兩個模擬量輸入模塊，分別為FX2N-4AD和FX2N-4AD-TC，用于采集設備的壓力、溫度和電流信號。另外每臺空壓機還配有1個FX2N-485ADP通信模塊，用于和上位機485通信。空壓機有3種工作模式，分別是一般運行、低用量運行和自動運行。

3 效果分析

為驗證此節能控制系統的綜合性能，對實際應用和相關數據進行了實時監測。監測結果顯示：整個系統運行正常，能實時、快速地監測、顯示空壓機各類參數將相關數據信息進行大數據匯總分析，實現了降本節能。據測算，在系統運行時，通過監測進氣口負壓變化確定空氣濾芯清潔或更換時間、油濾芯和油氣分離器前后端的壓力變化確定檢修或更換時間，大幅度延長了維保耗材的使用壽命，減少了維保費用。每臺空壓機每年可節省維保費用1.2萬元左右，同比降低15%。此系統實現了設備的精益化管理，有效規避了設備運行管理中的大部分不合理現象，每臺空壓機每年可節省10～25萬元電費，同比降低了10%～25%.由于此系統實現了無人值守作業，顯著降低了工人的勞動強度，可節省40%的人工費用。

此系統的成功應用，不僅為企業帶來較大的經濟效益，也有效助力了智能化礦井的建設，實際應用價值較大，具有推廣應用價值。

4 結 語

為解決余吾煤業空壓機設備存在的問題，開展了空壓機智能群控節能控制系統的優化升級設計研究。通過實際應用效果分析得出：該系統運行狀態良好，智能化程度高，為企業節約了將近15%的維保費用、40%的值守人工費用、10%～25%的電費，有效助力了智能化礦井的建設，值得推廣。