空壓機故障監測及其控制系統的設計

王 軍

（華陽新材料科技集團有限公司安全監察局，山西 陽泉 045000）

引言

基于目前空壓機監測控制系統較為落后，對空壓機運行故障不能及時做出響應處理，系統延遲性高且響應精度較低，經常發生因空壓機錯過維修時機損害設備或延誤設備的正常使用，因此對空壓機進行故障監測以及控制系統的優化設計十分必要。本文通過設計以PLC控制器為核心的網絡通信系統，對空壓機故障進行實時監測控制，實現對空壓機運行狀態的自動化、智能化管理控制。

1 工程背景

礦用壓縮機通常以螺桿式為主，特點是安全可靠性較高，且產生噪聲較小，設備不易損壞，其操作流程為轉子轉動帶動空氣進入空壓機并對空氣進行密封加壓處理，將達到預定壓力值的氣體排出，完成空氣壓縮效果。空壓系統由空壓機體、壓縮傳動、動力系統等構成，其中附帶空氣濾清器對空壓機進行定時除塵清潔，溫度傳感器對排出氣體的溫度進行檢測，壓力維持閥保持空壓機腔體壓力穩定，超出預定壓力進行卸壓報警等。以山西某煤礦井下600 m布設的六臺空氣壓縮機、地面布設的四臺空氣壓縮機為例，布設效果應滿足以下幾個要求：

1）空壓機應在出口處設計溫度傳感器，對排出氣體的溫度數據進行實時收集傳輸，保證在超出預警值溫度時及時做到報警停機處理。

2）在空壓機腔體設計壓力傳感器，對排出氣體的壓力數據進行收集監測，超出預警值壓力時及時進行報警停機處理。

3）對過濾器以及分離器的堵塞情況進行分析并進行預警。

4）空壓機排出氣體流量超過預警值時，為保證工作安全應使空壓機自動停機并進行檢查。

因此對空壓機故障監測及控制系統的監測參數設計應包括壓力、溫度以及流量3個方面，具體設計預警值見表1，超出表中部分將自動停機保護。

表1 空壓機監測參數預警數值

2 監測及控制系統設計

2.1 硬件組成設計

空壓機的監測系統由控制室遠程監測控制上位機系統與下位機現場監測控制子系統兩部分組成，兩者由終端控制器對數據進行接收傳輸，并通過PLC傳輸數據至控制室，整體設計結構如圖1所示。

圖1 監控系統結構示意圖

通過地面監控室遠程監測系統進行數據的處理，由終端空壓機上的傳感器對實時工況進行數據整理收集，經由交互機傳至地面上位機進行PLC數據處理計算。PLC模塊微處理器型號為S7-200CPU226，可對系統數據進行存儲計算，通信模塊選用西門子網絡拓展模塊，對輸入信號有顯著的抗干擾能力。對于傳感器的選擇要考慮井下實際工作環境。由于井下環境潮濕具一定腐蝕效果，且空壓機本身工況要求傳感器具備耐沖擊能力以及耐受高溫的工作環境。因此對于溫度傳感器選用熱電偶測溫傳感器，優點在于適用范圍廣，可靠性較高且較為穩定；對于壓力傳感器的選用同樣如此，一般選用彈簧管壓力傳感器，通過彈簧管作為壓力敏感元件對空氣等流體壓力進行測量，壓力表選用YTZ-150型號，該型號壓力表可實現對待測壓力的實時測量，并可與通信系統連接對測量信號進行實時傳輸，效果較好；最后對于流量計的選取根據壓縮機的用途不同，流量傳感器的選用也有顯著區別，對空壓機來說LCX型號流量傳感器可實現對遠程流量的監測以及預警報警效果，通過安裝在空壓機冷卻管路上，在冷卻管路水流入終端時觸發報警信號或緊急停機處理。或對水流流量設計閥值，流量超出閥值時自動接通報警電路或停機處理[1]。

2.2 傳感器選型設計

基于空壓機運行時工況特點進行傳感器選型設計，結合井下復雜工作環境對傳感器溫度、振動、壓力參數進行選型處理，如表2所示。

表2 空壓機監測系統傳感器選型設計

1）空壓機的溫度監測主要包括對潤滑油溫度以及排氣口溫度進行收集處理，選用PT100-TA10/0-200整體式溫度變送器，溫度的變化范圍為200℃，測量范圍較大，可實現對潤滑油等溫度的精確監測效果；電機溫度監測可選用CZ51型號的電機軸承溫度探頭及變送器，它的監測溫度范圍在200～1 600℃，溫度信號可轉換為標準二線制4～20 mA的DC電信號進行傳輸，使用效果較好。

2）壓力傳感選型設計。對潤滑油以及空壓機的出口壓力等進行監測是確保空壓機設備能夠平穩高效運行的關鍵，而對于冷卻水泵以及母管壓力的實時監測則可保證水泵的正常運行過程。選取OPEC2088型號的硅擴散壓力變送器進行壓力數據測量，具有測量精度高、體積小、數據測量穩定的特點，其工作溫度在-196～450℃，耐溫范圍較大，基本可以滿足系統設計要求。

3）振動傳感器選型設計。通過對空壓機電機在運行過程中的振動效果，對空壓機電機進行故障監測，異常的機械振動是電機發生故障的前提，因此對電機進行振動監測可及時發現電機故障并進行維修處理。本系統設計選用XZD-YB一體化防爆振動變送器來對空壓機的振動數據進行采集，監測的振動幅度在0～200 μm、0～500 μm、0～1 000 μm；工作電壓為DC24 V，輸出電信號的形式同樣為4～20 mA的標準電信號，可以滿足系統的設計需要[2]。

2.3 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括上位機系統程序以及下位機系統程序兩大部分，上位機系統即對控制室數據進行顯示處理，發出報警信號等，要求具備圖像以及語音或報警信號發出功能，同時也要具備查詢、通信功能，實現對工況實時查明以及指令下達。軟件設計界面包括操作人員系統運行界面以及空壓機工況界面等，可實現對空壓機運行狀態、壓力、流量以及溫度的實時顯示，通過報警指令燈、語音提示等對緊急停機按鍵進行操作，可有效降低井下人工巡視記錄數據的勞動量；下位機程序包括空壓機工況的數據傳輸識別，對存儲的數據進行判斷，設備運行存在故障時進行初步識別，做出是否進行預警處理的指令[3]。符合故障識別指令則執行下一階段向上位機傳輸命令，否則根據通信系統反饋返回至初始狀態。具體操作流程如圖2所示。

圖2 下位機程序設計流程圖

3 運行效果分析

通過對設計出的空壓機故障監測控制系統進行測試，對井下3臺空壓機進行了現場試驗分析，其具體參數監測值見表3。從表中數據可以看出，在該系統實際運行過程中對各參數的監測效果較好，其中出氣口溫度以及排氣壓力都控制在預警范圍之內，且監測值相近符合實際運行狀況。對空壓機進行遠程監控操作大幅降低了井下工作人員的勞動強度，節省了設備的維修保養費用，達到了對空壓機設備的自動化控制故障監測目的，使用效果較好。

4 結語

基于邏輯控制電子觸電PLC操作系統對空壓機故障監測控制系統進行設計，監控系統的可靠性以及工作效率得到了顯著提高，操作界面也更為簡易優化，可以實現對空壓機運行狀態的實時監控效果。

表3 空壓機測試參數