壓風機自動化技術改造

李廷杰，侯志會

（焦煤公司趙固一礦，河南焦作 454000）

壓縮空氣作為煤礦常用的一種動力源，主要應用于驅動氣缸、風鎬、風鉆、鑿巖機等氣動設備和壓風自救裝置。作為壓縮空氣的制造者——空氣壓縮機就顯得尤為重要，它的安全可靠運行直接關系到煤礦的生產安全和經濟效益。

1 系統現狀

目前趙固一礦西風井壓風機房已安裝4 臺MM250型螺桿式空壓機，配套電機功率250 kW，電壓10 kV，壓風機排氣量45 m3/min，額定排氣壓力0.7 MPa；安設4個風包，設計壓力1.0 MPa。管路上閘閥均為手動閘閥，冷卻方式為水冷，空氣壓縮設備運行穩定正常。

供電系統：MM250型螺桿式空壓機采用KYN28-12高壓配電柜直接啟動，高壓配電室內配置2臺進線柜、4臺出線柜、2臺PT 柜。

壓風機房系統現狀如圖1所示。

圖1 壓風機系統現狀

2 系統設計規范及依據

系統設計規范及依據包括：《煤礦安全規程》、《煤礦監控系統總體設計規范》、《煤礦信號設備通用技術條件》MT287-92、《爆炸性環境用防爆電氣設備通用要求》GB3836.1-2010、《煤礦通信、檢測、控制用電工電子產品通用技術要求》MT209-1990、《可編程邏輯控制器編程語言標準》IEC61131-3、《可編程序控制器》GB/T15969.8-2007、《工業電視系統工程設計規范》GB50115-2009、《視頻安防監控系統工程設計規范》GB50395-2007。

3 系統設計原則

（1）安全性。充分考慮系統和數據的安全性。系統具有較強的身份認證、授權、加密等機制、完善全面的事件日志、數據備份和病毒防護功能。

（2）先進性。充分利用飛速發展的計算機和自動化網絡技術，全面準確地體現用戶的管理思想及操作方式，建立一個符合標準的、開放的、易管理的自動控制網絡系統。

（3）開放性。要在符合通用標準的前提下，系統提供以太網或OPC 接口，實現系統最大限度的信息共享。系統結構合理，便于系統的擴展。

（4）實用性。系統具有靈活、可靠的控制功能，簡單實用，易于掌握，人機界面友好，程序參數可以方便修改；具有自診斷功能，具有實時數據采集、處理及顯示功能；采集到的數據存在數據庫中，可以方便地查詢。利用信息融合技術、故障診斷技術等技術對數據進行處理，對設備故障進行早期預報，提供故障診斷信息，提高生產效率，保障設備安全運行。

（5）可靠性。在硬件選型、網絡設計、支撐環境、應用系統的建設過程中，充分體現這一原則，保證整個系統運行可靠、故障率低、維護方便、修改靈活。

（6）經濟性。在一定的資金資源上，盡量有效地運行利用，以適當的投入建立一個高水平的、完善的自動化控制網絡系統，所有設備的選型配置堅持性價比最優的原則。

4 系統特色

4.1 數據在線監測功能

系統配置有相應的前端感知設備和后臺智能軟件分析服務，能夠實現對壓風系統通訊狀態、故障狀態、閥門開閉狀態、風壓等電力參數的在線監測，達到對壓風系統各項參數的全面采集與監測，符合《煤礦設備重大設備感知接入細則》對數據監測類型的要求，以及滿足各地智能壓風系統的政策要求。

4.2 一鍵啟動、自動輪換、一鍵倒機

系統可以實現對壓風機、冷卻水泵的一鍵啟動，自動輪換、故障自動倒機、定時自動倒機和一鍵倒機等功能。系統具有根據風壓的需求投入或退出壓風機的開機臺數，實現恒壓自動調風，風包具有定期排污功能。

4.3 故障分析診斷與預警、告警

系統實時監測壓風系統的壓力、溫度、振動、電壓、電流等數據，當發生異常，經檢測診斷后，系統能夠準確分析與診斷故障發生原因、時間、類型與地點，在上位機同步發出語音與文字告警。

4.4 視頻一體化控制

控制系統中配置半球形網絡攝像儀，通過控制中心上位機調用攝像儀控件，對壓風機房和配電室各監控點進行水平0°～355°旋轉，垂直方向0°～75°視頻巡航監視，方便調度中心實時監視整個壓風機房和配電室的圖像畫面，更快速全面的了解壓風設備運行情況，真正保證和實現無人值守。

5 系統設計概述

5.1 系統整體結構組成

固一礦西風井壓風機自動化集控系統主要由以下三部分組成：調度室遠程監控站、工業以太網傳輸網絡、壓風機房監控系統。

遠程監控站一般設置在調度中心，設置操控站，通過操控站對壓風機房相關設備進行集控和監視。遠程監控站是以高性能工控機為平臺，通過該平臺上的壓風機在線監控軟件完成控制器的參數和命令的傳達，是人機交互的核心；實現數據的存儲，并以圖形、報表、曲線等形式實現數據的查詢、分析和展示；擔負著系統運行的監測、維護、故障分析及預警以及命令的執行等任務。

工業以太網是系統各部分相互通信的基礎，為了實現系統數據的遠程傳輸，從壓風機房到調度中心敷設通信光纜，與工業級交換機組成工業以太網。

壓風機房就地監控系統、遠程監控站和網絡分布系統等通過以太網平臺進行數據通訊，相互傳遞數據。

壓風機房監控系統主要由位于壓風機房內的就地監控站（工控機）、可編程邏輯控制系統、位于現場的電動閥門、壓力傳感器、液位傳感器、溫度傳感器、振動傳感器、渦街流量計、電力采集模塊等組成。

5.2 壓風機房監控系統設計

通過在壓風機房配置的一套可編程邏輯控制器，采集系統所配置各類傳感器的參數，實現壓風機壓縮空氣壓力、溫度、流量，壓風機冷卻水系統的壓力、液位和溫度的實時監測，并通過配置的電力采集模塊實時監測壓風機的電壓、電流、功率等電力參數；同時實現壓風機、冷卻水泵和電動閥門的就地集中控制和遠程控制。由控制器根據參數設置與傳感器實時數值進行邏輯判斷，可實現多臺壓風機、冷卻水泵定時自動倒機，故障自動倒機和一鍵倒機功能。

5.2.1 閥門及傳感器配置

（1）電動閥門。每臺壓風機進出水閘閥改為電動閘閥，實現冷卻水的自動控制；另外，每個氣罐的手動排污閥門改裝為電動閥門，實現定期自動排污。

（2）壓力。通過在每個氣罐上安裝一個壓力傳感器，測量每個氣罐的壓力變化；在主排氣管路配置壓力傳感器，實現系統按壓力調節投入壓風機的數量。在每臺壓風機的冷卻進水總管路安裝一個壓力傳感器，實時監測冷卻水的壓力變化。

（3）溫度。通過在每個氣罐的出氣管路上安裝一個溫度傳感器，測量每個氣罐的溫度變化；在每臺壓風機的冷卻水進出水管路各安裝一個溫度傳感器，測量各臺壓風機的冷卻水溫度。

（4）振動。在每臺壓風機主電機上安裝振動傳感器，實時監測電機運行時的振動值。

（5）流量計。通過在主管路上安裝一個流量計，實時監測管路的流量變化。

（6）液位。在冷卻水池里安兩個液位傳感器，實時監測冷卻水池的水位變化，并且液位傳感器具備就地顯示功能。

（7）電力參數.電力參數指壓風機配套電機工作時電流、電壓、功率、功率因數等。通過電力采集模塊與串口服務器，采集電機工作時的參數，實現能耗自動分析與計算功能。

5.2.2 控制系統設計

設計壓風機集控系統，通過與壓風機控制器預留的RS485或以太網接口通訊，來實現數據的交換，同時通過壓風機集控系統配置的以太網模塊接入工業環網交換機，完成其與上位機的數據傳輸，實現對壓風機、電動閥門、傳感器的監測和控制。

系統具備遠程自動控制、遠程單機自動控制、遠程單機手動控制、就地控制、檢修控制等操作模式。在正常運行過程中，不管工作在何種工作方式，均可實時將壓風機房現場的各種運行參數、設備狀態通過通訊網絡傳到遠程監控站，在上位機軟件實時顯示。

5.2.3 故障保護

壓風機容量較大，耗電量大，是煤礦重要的動力源，因此對壓風機在線監控系統的安全性、可靠性要求較高，所以系統設計了全面的故障報警功能。①壓縮空氣溫度、壓力故障報警：通過配置溫度和壓力傳感器，采集壓縮氣體的溫度、壓力，與設定限值比較，并通過可編程控制器進行邏輯判斷，實現壓風機的加載、卸載、超限報警及故障停車，起到壓風機超溫、超壓保護。②冷卻水溫度、壓力、液位故障報警：傳感器實時檢測冷卻水液位、壓力，可以在冷卻水水位過低，壓力過低、過高時報警提示，為壓風機的正常運行提供了有力保障。③電力參數故障報警：利用電力采集模塊采集壓風機運行的電力參數，監控壓風機電流、電壓、功率等電氣參數，實現故障分析診斷和預警功能。④風機壓力、溫度故障報警：通過與壓風機進行通訊，采集壓風機壓力、溫度，實現異常告警。

5.2.4 視頻監控系統設計

控制系統結合視頻監控系統，可以實現壓風機房的無人值守。本視頻監控系統配置一定數量的攝像儀，把整個壓風機房以及配電室的圖像實時傳輸至調度中心，并能夠存儲錄像。

在壓風機房和配電室各增加一臺網絡高清攝像儀，攝像儀通過網線就近接入PLC 柜內交換機，實現遠程視頻監控；同時自動化控制系統軟件中嵌入視頻圖像，當設備出現告警，上位機監控畫面可自動彈出現場視頻圖像。實現控制系統和視頻圖像的聯動控制。

6 系統功能

6.1 顯示功能與控制功能

系統操控軟件包含工藝流程圖總畫面，實時顯示整個壓風機系統總體運行情況和主要設備的運行狀態和實時參數。具體有：①壓風機系統工藝參數：氣體溫度、冷卻水溫度、氣體壓力、排氣管路流量，顯示風機運行狀態，通訊狀態、電機的振動、閥門開閉狀態。②電力參數：壓風機電壓、電流、功率等。系統可根據程序進行邏輯判斷，具有壓風機和冷卻水泵自動輪換運行、故障自動倒機、定時自動倒機和一鍵倒機功能；具有風包定期自動排污的功能；具有根據風壓需求自動確定投入風機的數量，實現自動調風。

6.2 參數設置與數據曲線查詢

用戶可以根據自己的系統運行情況，設置系統各個設備的運行參數，為系統運行及報警提供依據。并且對于重要的系統參數，進行實時采集，并進行存儲；實時數據可生成實時曲線，歷史數據可生成歷史曲線，以供需要時及時查詢。

6.3 報表打印功能

系統具備報表生成、存儲、查詢、打印功能。可根據需要輸出包括設備工況運行報表、故障報警實時報表以及設備操作報告和過程變量報告等，保證各種規范管理的需要。當系統檢測到故障發生時，報警畫面自動彈出，提醒工作人員處理。系統具有基于采集到的大量工況數據分析的故障診斷及預警功能。

6.4 運行記錄和操作記錄查詢

對于系統各設備的運行情況和操作情況進行記錄、存儲、查詢；有助于對系統運行情況的分析。

6.5 通訊及對接功能

實時展示系統的通訊拓撲圖，即各設備的通訊在線狀態。具有與全礦工業以太網聯網功能，能夠把壓風機系統的各項監測參數、狀態、故障參數、故障記錄、報警情況等的數據傳輸到煤礦局域網上，實現與其他系統的數據交換。

接入煤礦智能化綜合管控平臺：硬件上通過壓風機監控系統PLC 控制器的以太網接口，接入工業以太網，實現與綜合管控平臺數據的交互；軟件上，采用開放通用的OPC 方式對接，上位機整合到綜合管控平臺上，實現數據的提取和畫面的再開發。

7 結束語

系統通過與壓風機通訊和配置三相電采集模塊，采集壓風機電壓、電流、功率等的電力參數，實現系統能耗自動分析和計算功能。系統web 發布功能，利用礦區已建設的辦公網絡，與該系統的工業以太網實現對接，由此系統數據可以web 的形式發布，辦公網絡內的網絡用戶可以通過瀏覽器查看系統數據，實現壓風機在線監測系統的數據共享，便于領導層及時了解壓風機房設備的運行狀況，有助于系統的維護和管理。