魏墻煤礦螺桿空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測及控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計研究

劉 睿

（陜西安標(biāo)檢驗認(rèn)證有限公司，陜西 西安 710000）

1 工程概況

1.1 概況

陜西延長石油集團(tuán)公司魏墻煤礦地處陜北侏羅紀(jì)煤田榆橫礦區(qū)南區(qū)的北部，位于橫山縣城北，行政區(qū)劃隸屬橫山縣波羅鎮(zhèn)、橫山鎮(zhèn)所轄。井田東西長11.4 km，南北寬7.5～10.3 km，面積102.26 km2。井田內(nèi)煤炭地質(zhì)儲量4.34 億t，可采儲量2.3億t，可采煤層2 層，自上而下為3、4 號煤層，其中主要可采煤層為3 號煤層。煤層傾角不足1°，主要可采煤層厚度平均3.47 m，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力300 萬t/a。采用斜井開拓方式、綜合機(jī)械化采煤法。礦井采用斜井開拓方式，礦井共有三條井筒，分別為主斜井、副斜井和回風(fēng)斜井。工業(yè)場地布置有主斜井、副斜井和回風(fēng)斜井。礦井目前采用“二進(jìn)一回”中央并列式通風(fēng)方式，抽出式通風(fēng)方法。

1.2 螺桿式空壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀分析

依據(jù)中煤西安設(shè)計工程有限公司對于魏墻煤礦的初步設(shè)計，礦井投產(chǎn)時，井下裝備一個綜采工作面，綜采工作面防滅火需要注氮量為1070 m3/h。礦井井下共選用2 套DT-700 型井下移動式PSA 碳分子篩變壓吸附制氮裝置，每套制氮裝置氮?dú)猱a(chǎn)量700 Nm3/h，氮?dú)饧兌?8%，輸出壓力0.6 MPa，裝機(jī)功率（110+10）×2 kW，電壓660 V，冷卻方式為風(fēng)冷，配備有螺桿式空壓機(jī)。

從魏墻煤礦制氮裝置螺桿式空壓機(jī)的運(yùn)行情況來看，螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行正常，但其監(jiān)控系統(tǒng)相對落后，監(jiān)測監(jiān)控水平及監(jiān)測精度較低，故障監(jiān)測設(shè)備延時大，該煤礦常發(fā)生因螺桿式空壓機(jī)錯過最佳維修和保養(yǎng)時間而發(fā)生的設(shè)備故障事故，影響設(shè)備的正常使用并降低設(shè)備的使用壽命。針對這一情況，陜西安標(biāo)檢驗認(rèn)證有限公司受魏墻煤礦委托，針對螺桿式空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，進(jìn)行改造優(yōu)化設(shè)計。

2 遠(yuǎn)程監(jiān)測及控制系統(tǒng)設(shè)計方案分析[1-6]

2.1 設(shè)計要求分析

魏墻煤礦制氮裝置在用螺桿式空壓機(jī)的特點(diǎn)為：設(shè)備工作穩(wěn)定性和安全性較高，工作效率較高，工作時振動和噪音較小。工作流程：空壓機(jī)吸入空氣，使之進(jìn)入壓縮主機(jī)內(nèi)→陰陽轉(zhuǎn)子運(yùn)動，生成受熱后的油氣混合物→進(jìn)入油氣分離器罐進(jìn)行分離→對油氣分離器罐空氣進(jìn)行加壓處理達(dá)到所需最低壓力后，進(jìn)入后冷卻器→得到所需壓縮空氣。

以魏墻煤礦DT-700 型井下移動式PSA 碳分子篩變壓吸附制氮裝置布設(shè)的螺桿式空壓機(jī)為例，分析之前監(jiān)控系統(tǒng)存在的不足可知，基于PLC 控制器遠(yuǎn)程監(jiān)測及控制系統(tǒng)須滿足以下要求：（1）在空壓機(jī)輸出端須加裝溫度傳感器，實(shí)時對傳輸排放氣體溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)設(shè)定的溫度預(yù)警值可實(shí)現(xiàn)報警和跳閘功能。（2）在空壓機(jī)腔內(nèi)須加裝有壓力傳感器，可實(shí)時對排放氣體的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)設(shè)定的壓力預(yù)警值可實(shí)現(xiàn)報警和跳閘功能。（3）可實(shí)現(xiàn)對空壓機(jī)過濾器、分離器堵塞故障進(jìn)行分析預(yù)警功能。（4）可實(shí)現(xiàn)對空壓機(jī)排氣流量的監(jiān)測，根據(jù)設(shè)定預(yù)警值可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動關(guān)停機(jī)功能。（5）可實(shí)現(xiàn)對空壓機(jī)電機(jī)工作中的振動情況進(jìn)行監(jiān)測，可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)故障的及時預(yù)警以及及時維修功能。

針對以上分析，該基于PLC 控制器的遠(yuǎn)程監(jiān)測及控制系統(tǒng)設(shè)計時主要監(jiān)測參數(shù)包括壓力、溫度、流量和振動，預(yù)警值設(shè)置情況見表1。

表1 螺桿式空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測及控制系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)預(yù)警數(shù)值表

2.2 硬件設(shè)計分析

改造優(yōu)化設(shè)計的基于PLC 控制器的空壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)控室遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)組成，數(shù)據(jù)由終端控制器接收和傳輸，通過PLC控制器傳輸至控制室。整體設(shè)計方案如圖1。

圖1 基于PLC 控制器遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

通過地面監(jiān)控室遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過交換機(jī)通信，由終端空壓機(jī)上傳感器對現(xiàn)場實(shí)時工況數(shù)據(jù)進(jìn)行整理收集。PLC 控制器選用西門子S7-200 模塊CPU226CN 中央控制單元，對于空壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的較高要求控制，具有更多的輸入/輸出點(diǎn)，具有較強(qiáng)的模塊擴(kuò)展功能。交換機(jī)通行采用工業(yè)路由器G9965，G9965 使用2/3/4G/5G 傳輸確保數(shù)據(jù)的速率，設(shè)備擁有自愈和看門狗機(jī)制保證無線連接“永久在線”。

結(jié)合魏墻煤礦井下螺桿式空壓機(jī)的工作環(huán)境，對空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)傳感器進(jìn)行了選型設(shè)計研究，選型結(jié)果見表2。

表2 空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)傳感器選型結(jié)果表

（1）溫度傳感選型。空壓機(jī)潤滑油及排氣口溫度監(jiān)測采用熱電阻PT100 型溫度變送器。輸出：4～20 mA，極限28 mA；輸入范圍：熱電阻Pt100，-200～500 ℃。該溫度變送器可實(shí)現(xiàn)對潤滑油及排氣口溫度的精確監(jiān)測。空壓機(jī)電機(jī)溫度監(jiān)測采用CWDZ15 一體式溫度變送器。溫度范圍：-50℃～600 ℃～1300 ℃；輸出：可選擇4～20 mA（兩線制），0～10 V（三線，四線）。該溫度變送器可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)軸承溫度的精確監(jiān)測。

（2）壓力傳感選型。空壓機(jī)潤滑油、空壓機(jī)出口、冷卻水泵以及母管壓力監(jiān)測采用OPEC2088型硅擴(kuò)散壓力變送器。量程范圍：-0.1～40 MPa；過壓極限：2 倍FS（＜3.5 MPa），2.5 倍FS（≥3.5 MPa）。該壓力變送器可實(shí)現(xiàn)對空壓機(jī)潤滑油、空壓機(jī)出口、冷卻水泵以及母管壓力的精確監(jiān)測。

（3）流量傳感器選型。空壓機(jī)流量監(jiān)測采用LCXJ 系列旋進(jìn)旋渦流量傳感器，可實(shí)現(xiàn)對空壓機(jī)流量的精確監(jiān)測，并實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測結(jié)果的預(yù)警報警功能。

（4）振動傳感器選型。空壓機(jī)電機(jī)運(yùn)行的振動情況監(jiān)測采用XZD-YBXZD-YB 一體化防爆振動變送器。靈 敏 度20 mv/mm/s±5%；頻率響應(yīng)5～500 Hz；自振頻率10 Hz；測量范圍0～50 mm/s；輸出電流4～20 mA；輸出阻抗≤500 Ω。該振動變送器可實(shí)現(xiàn)對空壓機(jī)電機(jī)運(yùn)行振動的異常監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)故障并及時進(jìn)行維修。

2.3 軟件設(shè)計分析

空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測及控制系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括有上位機(jī)系統(tǒng)程序和下位機(jī)系統(tǒng)程序兩部分。上位機(jī)系統(tǒng)主要是通過IFIX 監(jiān)控軟件來對空壓機(jī)控制室數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示，具有畫面監(jiān)控、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)報警、自動倒機(jī)等功能。在監(jiān)控室可以通過畫面實(shí)時顯示壓力、溫度、設(shè)備運(yùn)行時間等工藝參數(shù)數(shù)據(jù)。

下位機(jī)系統(tǒng)對空壓機(jī)工況數(shù)據(jù)傳輸識別，對存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，對設(shè)備運(yùn)行故障初步識別，做出是否進(jìn)行預(yù)警處理的指令。具體操作流程如圖2。

圖2 下位機(jī)程序設(shè)計流程示意圖

3 運(yùn)行效果分析

魏墻煤礦螺桿空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測及控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計完成后，在2 套DT-700 型井下移動式PSA 碳分子篩變壓吸附制氮裝置中的2 臺螺桿空壓機(jī)中進(jìn)行了現(xiàn)場測試分析，監(jiān)測結(jié)果見表3。

從表3 中數(shù)據(jù)顯示，螺桿空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測及控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，對空壓機(jī)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測效果理想，空壓機(jī)出氣口溫度以及排氣壓力都控制在預(yù)警范圍之內(nèi)，且監(jiān)測值相近，符合空壓機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀況。

表3 現(xiàn)場測試參數(shù)結(jié)果

采用改造優(yōu)化后的遠(yuǎn)程監(jiān)測及控制系統(tǒng)對螺桿空壓機(jī)進(jìn)行監(jiān)測，可有效提高空壓機(jī)設(shè)備運(yùn)行的智能自動化控制故障監(jiān)測的程度，對空壓機(jī)運(yùn)行故障反應(yīng)及時，系統(tǒng)響應(yīng)精度高，有效提高了設(shè)備維修和保養(yǎng)效率，降低了工人勞動強(qiáng)度，降低了空壓機(jī)設(shè)備維修和保養(yǎng)費(fèi)用，安全經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié)語

針對魏墻煤礦螺桿空壓機(jī)之前監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，進(jìn)行了基于PLC 控制器的遠(yuǎn)程監(jiān)測以及控制系統(tǒng)的改造優(yōu)化設(shè)計。應(yīng)用效果表明：新設(shè)計的遠(yuǎn)程監(jiān)測及控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控，對空壓機(jī)運(yùn)行故障反應(yīng)及時，系統(tǒng)響應(yīng)精度高，可靠性高。系統(tǒng)應(yīng)用效果理想，有效提高了設(shè)備維修和保養(yǎng)效率，安全經(jīng)濟(jì)效益顯著。