礦用空壓機的遠程監測及智能聯控系統的設計

夏 坤

（山西潞安集團左權阜生煤業有限公司，山西 晉中 032600）

引言

空氣壓縮機（簡稱空壓機）作為礦井作業過程中的重要動力設備，其作用主要是將空氣壓縮至一定壓力后，為風鎬和風鉆等設備提供動力。空壓機在實際礦井作業過程中，常出現耗電量大、出口氣體或溫度過高等現象。因此，為了降低耗電量，確保管路壓力的穩定性，本文采用先進的傳感器及數據處理技術，從而實現了空壓機的智能聯動控制[1]。

1 空壓機的基本結構與工作原理

單螺桿空壓機主要由主機和輔機兩部分構成，主機包括螺桿空壓機主機及主電機，輔機包括進排氣系統、油氣分離系統、冷卻系統、控制系統及電氣控制部分組成，如圖1 所示。

圖1 單螺桿空壓機主要結構

如圖1 所示，為單螺桿空壓機的工作原理圖，其作業流程分為吸氣、壓縮及排氣三個過程。吸氣過程螺桿螺槽在星輪齒尚未嚙入前與吸氣腔相通，處于吸氣狀態，當螺桿轉到一定位置，星輪齒將螺槽封閉，此時吸氣過程結束[2]；壓縮過程即吸氣過程結束后，螺桿繼續轉動，隨著星輪齒沿著螺槽推進，封閉的工作容積逐漸減小，實現氣體的壓縮過程，當工作容積與排氣孔口連通時，壓縮過程結束；排氣過程即工作容積與排氣孔口通后，螺桿繼續轉動，被壓縮氣體由排氣孔口輸送至排氣管道直至星輪齒脫離螺槽為止。

2 空壓機遠程監測及智能聯動控制系統的總體設計

智能聯動控制即實現3 臺空壓機之間的智能聯動控制，從而依據設備的作業狀況實時精準控制所有設備的運行狀況。空壓機的控制主要表現為啟停設備、加載卸載控制及啟動空壓機數量等。對空壓機進行在線監測是保障智能聯動控制功能實現的前提，監測數據經PLC 控制器進行分析處理后，再通過工業以太網、MODBUS 通信協議傳輸數據，從而使顯示、記錄、故障報警等功能得以實現[3]。

綜合智能聯動控制系統的功能結構分為上、中、下三個層次，分別為數據遠程監測存儲與預警層、數據通信及信號傳輸層、數據檢測采集與控制層。

數據遠程監測存儲與預警層即上層的功能主要為數據顯示和存儲、曲線查詢、超限預警等；數據通信及信號傳輸層即中層包含以太網和RS485 總線模塊等；數據檢測采集與控制層即下層的功能為通過電參數采集模塊和傳感器檢測模塊實現數據的采集與控制。

3 空壓機遠程監測系統的硬件選型

考慮到空壓機監控系統的功能，本文的硬件選型設計對象主要為相關傳感器和核心PLC 控制器。

如表1 所示，參考空壓機監測系統的監測項目，確定了空壓機遠程監測系統傳感器的具體選型結構，其將傳感器設備分為溫度、壓力、振動傳感器。

表1 空壓機遠程監測系統傳感器的選型

遠程監測和智能聯動控制實現的核心在于PLC控制器，本文采用的是S7-200 226CN 型PLC 控制器，其具有可靠性高、響應速度較好的優點。該型號的PLC 控制器具有26 個開關輸入量、16 個開關輸出量。對于空壓智能控制系統所需監測和控制的項目，空壓機系統所需的開關輸入量和開關輸出量均為16 點。

統計空壓機系統的模擬量輸入及輸出點數情況，其空壓機系統需擴展兩個AI/AO 模塊其型號為EM235；四個AI 模塊其型號為EM231。

4 空壓機智能聯動控制系統結構的設計

本文中的礦用單螺桿空壓機的智能聯動控制系統包括以下三部分：空壓機運行過程中的溫度、壓力等參數實時采集與顯示，歷史數據存儲查詢功能；通過設置的壓力傳感器、溫度傳感器等實現對空壓機的斷油、超溫、超壓等保護；具有就地和遠程控制功能，遠程控制分為遠程手動控制及遠程自動控制，遠程手動控制即可遠程單獨控制某臺空壓機的啟、停；遠程自動控制依據空壓機母管氣體的溫度、壓力以及空壓機的運行時間、潤滑油的溫度等，來合理控制空壓機的啟動臺數及啟動時間。其中，遠程自動控制系統為空壓機智能聯動控制系統核心。該系統用1 臺PLC作為控制核心，分別與3 臺空壓機進行RS485 通信，實現啟動、停止、壓力/溫度、空壓機輪換等控制；并實時讀取每臺空壓機的運行狀態、壓力/溫度等顯示參數，也可在手動模式下對每臺空壓機獨立控制。

同時在PC 端安裝WINCC 組態與PLC 通訊，用作后臺監控，進行數據讀取、發送及存儲，來控制空壓機的運行，如圖2 所示。

圖2 系統配置圖

此外，該智能聯動控制系統還實現了各空壓機運行狀況間的聯動控制，具體體現在對啟停順序和運行時間方面的控制。啟動順序控制原則為依據母管的壓力情況確定空壓機的啟動數量。

1）啟動運行：設置為聯控狀態，在所有機器備妥待機的狀態下，1 號啟動，進入加載狀態，在設定的延時30 min 到達設定壓力，如果壓力未達到要求，那么2 號機啟動，聯動延時30 min 到達，如果壓力還是沒有達到用氣要求，那么3 號機啟動。

2）加載、卸載運行：空壓機加載過程不改變，空壓機啟動后，根據管網壓力進行卸載。

3）空壓機輪換、停機：假設當前1 號空壓機運行滿足用氣要求，2 號、3 號空壓機處于待機備妥狀態，1號空壓機持續運行至設定時間72 h，則自動切換至下1 臺空壓機運行；假設多臺空壓機同時運行，滿足用氣需求的同時，若其中某臺空壓機的空載率達到70%，則根據空壓機運行時長，運行時間長的空壓機自動停止運行并處于備妥狀態；假設多臺空壓機同時運行，若其中某臺空壓機空久停車時間達到設定時間30 min，則這臺空壓機立即停機并處于備妥狀態。

5 結語

空壓機作為礦井作業中為風泵、風鎬和風鉆等設備提供驅動力的重要設備，不僅降低了其耗電量，而且有效提升了空壓機系統的智能化和自動化水平，對實現空壓機智能聯動控制系統意義重大。在遠程監測空壓機運行狀況的情況下，空壓機間的智能聯動控制綜合管網壓力以及空壓機的運行狀態、潤滑油的溫度等，管網的壓力值得以實現控制，從而合理控制空壓機的啟動臺數及啟動時間，以達到降低空壓機能耗的目的。