新景礦空壓機故障檢測系統的設計

＊車海紅

（山西新景礦煤業有限責任公司 山西 045000）

引言

螺桿式空氣壓縮機具有結構簡單、體積小、運行平穩、壽命長的優勢。在現代企業生產中應用較為廣泛，如制造業、礦業、冶金業、電力行業等都均有應用。該壓縮機屬于容積式壓縮設備。氣體的壓縮通過容積的變化來實現，容積變化通過陰陽轉子的回轉運動完成。其零部件采用長壽命設計，入口設有過濾器、分離器等裝置確保壓縮空氣質量。性能可靠，市場占有率呈上升趨勢，前瞻產業研究院《2014—2018年中國空氣壓縮機行業產銷需求預測與轉型升級分析報告》顯示：日本螺桿壓縮機1976年市場占有率27%，1985年市場占有率達到85%。我國從2014年起，螺桿式空壓機市場占有率以每年15%的速度遞增。科學合理使用螺桿空壓機使其高效運轉，為企業生產奠定基礎。然而，現階段空壓機監控系統較為滯后，空壓機出現故障，不能及時發現，延遲了設備的正常使用效果[1]。PLC控制系統是在傳統順序控制器的基礎上引入微電子技術、計算機技術、自動控制技術和通訊技術形成的一種新型工業控制裝置，具有通用性強、適用范圍廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、模塊化的優點[2]。本文通過設計以PLC控制器為核心的網絡通信系統，對空壓機進行實時監測。

1.螺桿式空壓機的運行情況

新景礦井下1-3#空壓機機組，從2018年至2020年多次出現較大故障，造成生產中斷，給企業生產造成巨大的經濟損失。具體故障情況見表1。

從表1數據可知，2018年至2020年因空壓機故障造成生產中斷累積時間32h，給企業穩定生產帶來諸多不便。為便于及時發現空壓機故障，決定對該礦空壓機檢測系統進行優化設計。

表1 2018—2020年空壓機組故障情況

2.工程背景

新景礦位于陽泉市西部，距離市中心18km，臨近石太鐵路和太舊高速公路。井田煤層貯藏穩定，均為優質無煙煤。可采煤層8層，主采3#、8#、15#煤。一期工程可采儲量1.6億噸，采區服務年限52.4年，年生產能力580萬噸。

礦用壓縮機通常為螺桿式空氣壓縮機，具有安全可靠性高、噪音小、對設備損壞少等特點。工作原理是轉子轉動將空氣帶入空壓機腔體，將空氣加壓，達到設定壓力值時氣體排出，完成一個工作行程。壓縮機由腔體、陰陽轉子、動力系統等構成[3]。空氣濾清器附在空壓機上，用于定期除塵和清洗，溫度傳感器檢測廢氣溫度，保壓閥門調節空壓機腔[4]。以新景礦井下布置的3臺螺桿式空壓機為研究對象，各傳感器布置要求如下：

空壓機出口設置溫度傳感器，進行氣體溫度數據收集并傳送，超出設定預警值，及時報警停機。

空壓機腔體設置壓力傳感器，進行氣體壓力數據收集并傳送，超出設定值，發出聲光報警信號，并緊急停機。

氣體過濾和分離系統進行堵塞預警。

空壓機產氣量超出設定預警值時，立即自動停機[5]。

因此，空壓機監測系統應包括壓力、溫度以及流量三個方面，預警設定值如表2所示，超出設定值將自動停機。

表2 空壓機監測參數預警設定值

3.監測及控制系統設計

(1)硬件組成設計

空壓機在線監測系統上位機、下位機子系統組成。數據由終端控制器從子系統獲取，PLC系統將數據傳送至地面控制室，結構設計見圖1。

圖1 監控系統結構示意圖

采集數據在監控室監控系統中進行處理，空壓機的實時運行狀態數據由各傳感器進行采集，然后經過交互機輸送到上位機系統，由PLC進行運算處理。選擇S7-200CPU226型PLC處理器，該裝置可進行數據的存儲和計算。選擇西門子網絡拓展模塊作為通訊模塊，該模塊抗干擾性能優越。井下巷道粉塵多、濕度大，且存在腐蝕性氣體，空壓機運行有一定的振動，因此選擇的傳感器必須具備良好的抗沖擊能力和工作能承受高溫的環境[6]。因此，溫度傳感器必須具備耐高溫特性，本次設計選擇熱電偶系列傳感器。

壓力傳感器通常采用彈簧管作為壓敏元件進行流體壓力測量。壓力傳感器能夠對被測壓力實時測量，并能實時傳輸測量數據；根據壓縮機的用途不同流量傳感器的選擇有很大的不同。對于空壓機，LCX型流量傳感器可以實現遠程流量監測，預警報警的效果[7]。

(2)傳感器選型設計

依照空壓機工況，結合井下環境，對傳感器進行選型，結果見表3。

表3 空壓機監測系統傳感器選型設計

①溫度傳感器選型。溫度監測包含油溫、排氣口溫度兩方面。選型原則：傳感器測溫范圍、精度等級；測溫元件大小是否合適、測溫元件的滯后是否滿足測溫要求、測溫原件是否適合所測設備環境。溫度傳感器系列適用范圍，見表4。

表4 常用溫度傳感器適用范圍

通過比較，選擇PT100-TA10/0-200整體式溫度變送器，該裝置溫度測量區間廣、精度高，可對空壓機油溫進行精確監測；電機軸承溫度監測，選擇CZ51型溫度變送器，該裝置監測范圍200～1600℃，信號輸出為4～20mA的電流信號。

②壓力傳感器選型。壓力監測主要包含油壓、排氣壓力兩方面。選型原則：介質、量程、精度、信號輸出類別、頻響特性等。通過比較，選擇OPEC2088型硅擴散壓力變送器，該裝置結構緊湊、穩定性強、精度高、耐溫性好。能夠實時監測管道壓力、油壓及排氣壓力。

③振動傳感器選型。空壓機屬于轉動設備，運行中存在振動，但是異常的機械振動會造成設備故障，給運行帶來不良影響。空壓機振動源主要來自電機，因此需要對電機進行振動監測，便于了解電機運行狀態。選型原則：常用壓力傳感器原理，見表5。通過比較，選擇XZD-YB一體化防爆振動變送器進行振動數據進行采集，該裝置振幅監測較為全面，工作電壓DC24V，信號輸出為4～20mA的電流信號。

表5 常用壓力傳感器原理

(3)系統軟件設計

系統軟件由上位機、下位機程序構成。上位機系統主要用于數據顯示、數據處理、預警報警等，具備圖像傳輸和語音或報警信號的功能。查詢和通訊能力，能及時反映現場實際工況，實時下達指令的功能[8]。軟件設計包括操作界面、運行界面，可實時顯示空壓機主要運行參數。以有效減少人工在井內進行數據測量、參數核對的時間；下位機系統主要用于空壓機運行監測數據傳輸、處理，當空壓機出現故障時進行初步判斷，是否進行預警。所得數據與數據庫數據識別一致，立即向上位機發送指令，否則返回初始狀態。工作流程，見圖2。

圖2 下位機程序設計流程圖

4.運行效果

空壓機在線監測系統應用于井內三臺在用空壓機予以測試。在線監測系統投用前后，效果對比，見表6。原空壓機系統僅能顯示電機電流值、電壓值，不能顯示空壓機排氣溫度、排氣壓力、電機振動值，不利于對空壓機的運行狀態進行實時監測，需要依靠操作人員進行巡檢，獲得運行數據。而在線故障監測系統可以實時顯示空壓機的運行數據，及時掌握空壓機運行狀態。通過人工現場檢測，在線故障監測系統顯示的出口溫度、排氣壓力均在允許范圍內，在線監測數據和實際工況接近。該系統投用后，有利于及時發現空壓機設備問題，節約檢修費用，同時也降低了操作人員的勞動強度。監控系統應用達到預期效果。

表6 空壓機測試參數示意表

5.結語

本次設計的空壓機在線監測系統具有簡潔化、高效化、可靠化的優點。有效實現了對空壓機運行狀態的實時監控。