空壓機遠程監控技術

賈 文，李計志，盛長斌

（山西焦煤集團有限責任公司，山西太原 030000）

0 引言

空氣壓縮機是特別重要的一種設備。在煤礦生產制造這方面，有許多用于井下的設備，風鎬、風鉆等就是他們的代表，而且這些設備都是由空壓機來提供動力。所以說，保證空壓機長時間的有效正常工作，對于煤礦能否正常作業生產起到關鍵作用。由于空壓機是礦山生產不可缺少的動力裝置，必須24 h 不間斷地工作，不同時段需要不同操作員進行現場檢查，并記錄空壓機系統的運行狀態和主要運行參數。采用手動控制實現啟停控制，對空壓機進行上下料和對空壓機各種運行參數的監測，需要大量的人力資源，另外，由于工作人員水平不同，因此空壓機系統的時效性和準確度也不盡相同，尤其是夜班操作人員存在注意力不集中現象，因此對空壓機進行及時、準確的檢查和登記是很困難的，而且隨著時間的推移，在空壓機故障的早期階段，無法檢測并解決可能對安全生產產生重大影響的隱患。空壓機滿負荷工作時用的電量比較大，如果井下用風量比較小的時候，空壓機就不需要很長時間的滿負荷運轉運行，這樣會造成很多電能的浪費，造成很多沒有必要的經濟損失。并且如果空壓機系統失效，無法及時核實排查和準確定位故障，喪失最佳的修理機會，勢必會減少空壓機的使用時間。因此，需針對空壓機工作研究一種遠程監控技術，實時監測空壓機工作狀態，若空壓機工作發生異常及時反饋，確保空壓機工作過程安全可靠。

遠程監控技術在海外的研究起步比較早，斯坦福大學與麻省理工大學于1997 年聯合舉辦了第一次會議，這次會議的主要議題是關于遠程監控診斷的，因為這次會議得到了福特、惠普、升陽等大量公司的關注，并且要在這方面給予支持，然后TESTBED 系統便由這些公司一起研究出，這種系統是實驗性的遠程監控系統，這個系統能做到實時的監控對于遠程的網絡化數據信息[1]。從此，世界各地的許多大公司和機構開始對遠程監控技術的綜合研究和設計，通過很長一段時間的研究，便建立了一套標準，是關于規范數據和信息處理這方面的，便于實現遠程監控技術的過渡從理論研究到實際應用的發展[2]。

由于生產力水平不斷提高，海外有很多知名企業和研究機構都開始致力于這方面的研究，就是遠程監控空壓機技術，他們所研究出的空氣壓縮機遠程監控系統性能十分穩定而且實用性很強，例如丹麥B&K 所研究出的3540 遠程監控系統，美國Bently 公司為了對空壓機核心的部位進行監測，使用了多通道設置下沉監測器、氣閥溫度監測器、振動速度監測器，伴隨著3300 空壓機遠程監測系統的出現解決了大型活塞空壓機遠程的實時監控。

1 空壓機內部結構和正常運轉步驟

空氣壓縮機的正常運轉主要包括三個系統，分別是氣路系統、油路系統、水路系統。這三個系統之間沒有必然的聯系是相互獨立的，而且各自密封，各有其獨立的作用，空氣壓縮機里面的結構和正常運轉的步驟如圖1 所示。

（1）氣路系統。空氣得到凈化是由濾清器來實現的，經過濾清器后，經過減壓閥就到了空壓機腔中，在這個地方和潤滑油混合，并且進行壓縮，將會在排氣口排出壓縮的潤滑油和空氣的混合物，分離的過程是由排氣逆止閥到油氣分離器里面，按照最小壓力閥、后冷卻器、水分離器這個順序依次通過，最終才將氣體排入到排氣的主管道。

（2）油路系統。潤滑油和氣體進行充分的混合并且壓縮，是在空壓機腔中完成的，使用油氣分離器把他們進行分離，然后經過溫控閥和冷卻器，在油過濾器當中進行凈化，進入最后一個地方空壓機腔當中，那么這個工作過程就完成了一次循環，潤滑、冷卻、壓縮及環保是油路系統在整個空氣壓縮機工作當中起到的作用，油路系統是整個空氣壓縮機里面非常重要的一部分。

（3）水路系統。空氣壓縮機中壓縮氣體溫度和潤滑油溫度的降低，是靠空壓機水路系統來進行實現的，這個系統能夠保證整個空壓機的正常工作，避免出現很高的溫度對系統造成很大程度上的損傷。

2 空壓機控制原理及改造方案

2.1 空壓機現場控制原理

道清煤礦井下空壓機房4 臺空壓機都是英格索蘭制冷空壓機，其中2 臺已完成變頻控制改造，空壓機在啟動前需連接冷卻水泵，否則，空壓機切水功能將失去作用。當冷卻水泵發揮作用時，空壓機分4 個步驟進行控制。

（1）打開控件。啟動按鈕后，空壓機會在空載狀態下啟動。頭部空壓機吸力可以瞬間打開進氣閥，但同時也會立刻關閉。在手動加載空氣壓縮機之前，空氣壓縮機始終處于空載狀態。目前，空氣壓縮機不為主管道提供壓力。

圖1 空壓機內部結構及工作流程圖

（2）加載控件。將空壓機在空載狀態下啟動，隨著潤滑油溫度逐漸升高，當溫度到達70（約1 min），壓縮機的負載可以得到控制。此時手動將充電閥轉到加載位置，通過加載閥將壓力傳遞到氣閥內使其頂開閥門。氣體從進氣閥進入到達空壓機壓縮腔內，大氣壓力開始釋放到主管道，空壓機完成加載過程。

（3）卸載控制。如果地下空氣減少，則需要關閉空氣壓縮機。首先，拆除壓縮機，手動打開加卸載按鈕并將其轉到卸載位置。推動氣缸的進氣閥門。關閉輸入閥。氣體的壓縮機剩余壓力氣體向母管排出：當系統達到最大壓力，內部壓力的空氣壓縮機將自動排放，避免過度壓力。當壓力降至最低壓力極限時，自動重新加載過程不需要手動控制。

（4）停機控制。空壓機排放后不能立即停止排放，排放變壓器內大量高壓氣體仍未排放。如果此時關閉，導致閥內高壓氣體無法排出，需要重新釋放氣體。空壓機的啟動相當于加載啟動，整個系統的功率損耗和有重大影響的性能增加，降低空氣壓縮機的使用壽命，卸載后的壓縮機，壓縮機的壓力低于安全等級，然后執行停機操作。

2.2 空壓機控制系統改造方案

空壓機是礦山生產的主要力量，必須一天24 h 連續操作，在每一個時間配備不同的員工，為了控制和記錄空壓機的操作狀態和主要操作參數，實現手動控制啟動，卸載控制和操作參數監測，由于工作人員的操作水平不同，還需要大量的人力，對生產產生影響，空氣壓縮機業務的實時可用性和準確性也不同，特別是由于操作人員經常在晚上分心，所以他們檢查和記錄壓縮機時無法及時、準確地發現和處理空壓機故障風險，對安全生產產生重大影響。

通過對空壓機控制系統的分析，可以對4 種控制系統得到如下改進。

（1）在啟動按鈕上串聯常開按鈕，停機按鈕上并聯常閉按鈕，通過PLC 控制中間控制繼電器，遠程啟動和關閉空壓機。

（2）安裝在空壓機上的電磁閥與手動加載閥連接，實現空壓機的遠程加載功能。

（3）以PLC 為開發設備平臺，應用模糊PID 控制技術對空間壓縮機的調頻進行控制，保證壓力供氣的穩定。

（4）手自控制變換。通過空壓機主管道壓力和壓縮機一次運行時長，設計停機邏輯順序，自動控制4 個壓縮機。

（5）將變壓器安裝在變壓器采集節點和冷卻泵上，保證變壓器技術參數的實時采集。

（6）上位機采用組態軟件生成空間壓縮機實時監控圖像，實現遠程控制、實時數據監控、邊界外預警、數據存儲和傳輸。

通過對空壓機控制系統的設計與改裝，實現對空壓機的智能遠程控制和數據監測功能，實現空壓機穩定運行和礦山的安全生產。

3 空壓機系統總體結構

空壓機遠程監控系統總體機構如圖2 所示，系統采用三級[3-4]垂直結構框架，由PLC 控制的下位機擴展了大多數字測量單元和模擬收集單元，收集和處理由傳感器實時檢測到的參數，并使用邏輯集成信號程序來判斷收集到的信號。上位機使用開發的組態軟件和專家系統軟件，將空壓機遙感系統和故障診斷系統進行構建。下位機和上位機監控系統通過以太網進行實時數據交換，對當下的環境，空氣壓縮機進行遠程控制和數據監控[5]。

圖2 空壓機遠程監控系統總體結構

現場控制盤上安裝人機觸摸屏，集中顯示每個空壓機系統的運行情況和參數，以便工作人員和檢查人員可第一時間了解和檢查空壓機設備的狀態。

空壓機房配置4 臺防爆現場攝像機，實現對空壓機房的多角度實時視頻監控。視頻轉換器被現場記錄鎖定，通過以太網環傳輸到底部，由視頻轉換器掃描，然后通過記錄傳輸到上位機，以在空壓機室中得到實時遠程監控圖像。

4 結束語

（1）通過分析空壓機應用場所研究現狀，對空壓機遠程監控技術進行研究。

（2）以道清煤礦井下200 號空壓機房的4 臺英格索蘭水冷空壓機為研究背景，對其實際工作中的啟動、加載、卸載、停機的控制分別進行研究，并對空壓機控制系統改造，最終滿足遠程智能空壓機控制和實時數據監控操作，確保空壓機安全持久的穩定運行，并為礦井下安全生產提供有力的保障。

（3）針對空氣壓縮機設計整個系統，基于工業以太網實現下位機與上位機監控系統的實時數據交互，實現空壓機的遠程控制和數據監測，并且增加人機界面觸摸屏，對設備運行狀態以及運行參數進行集中顯示，確保工作人員能夠及時且全面掌握空壓機設備運行狀況，實現對空壓機設備遠程實時監控。