空氣壓縮機聯動控制和故障診斷報警系統的分析

潘高峰

（山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司， 山西 晉城 048000）

引言

隨著我國工業4.0 的不斷推進，未來煤礦行業將朝著數字化、智能化的方向發展。煤礦生產中空氣壓縮機是其必不可少的關鍵機械設備，空壓機運行的穩定性直接關系到整個煤礦生產的安全和穩定，其數字化和智能化水平會在很大程度上影響工作效率[1-2]。為了保證空氣壓縮機的安全性和穩定性，目前已經發展出了遠程控制和故障診斷預警系統，可以實現空氣壓縮機故障問題預警[3]。另一方面，隨著世界能源局勢的日益嚴峻，國家的節能減排要求給煤礦行業造成了極大的壓力。而礦用空氣壓縮機能源消耗較大，在節能減排方面大有可為[4]。通過對空氣壓縮機實施聯動控制，能夠顯著降低其能源消耗，降低其運行成本。

1 系統總體結構的概述

本文所述的礦用空氣壓縮機聯動控制與故障診斷預警系統，其整體結構框架為三層集散式，利用PLC 作為控制手段。上位機利用組態軟件建立監控過程的顯示畫面，構建空氣壓縮機運行過程數據信息庫為故障診斷服務，通過上位機實現空氣壓縮機的遠程聯動控制以及運行過程中的故障診斷。下位機PLC 與上位機之間通過RS-485 總線進行連接通信，由于本系統為遠程控制系統，所以上位機與空氣壓縮機工作現場之間通過光纖通信，確保長距離通訊的穩定性和安全性?，F場同樣利用PLC 作為控制手段，利用專業傳感器采集收集空氣壓縮機在運行工作過程中的各項數據，并通過已編好的程序對數據進行分析與處理，處理結果經過RS-485 總線傳輸到上位機。

圖1 空氣壓縮機聯動控制流程圖

2 礦用空氣壓縮機聯動控制及其基本原理

在采煤工作過程中，通常都是多臺空氣壓縮機同時工作才能夠滿足要求。礦用空氣壓縮機聯動控制系統其最根本的作用就是將煤礦中所有的空氣壓縮機進行連接，接受所有空氣壓縮機的運行數據，實現多臺機器的聯動控制。系統能夠綜合考慮母管壓力以及每臺空氣壓縮機的運行數據自動地判斷需要啟停哪些機器，以此確保在充足供氣的同時盡可能減少空氣壓縮機運行工作的數量。利用該聯動控制系統可以顯著降低空氣壓縮機的運行損耗以及能耗，降低運行成本，提升經濟效益。如圖1 所示為空氣壓縮機聯動控制基本流程圖。通過傳感器實時檢測母管壓力并將其與設定的數值進行分析對比。若檢測結果發現母管壓力值較小且未達到設定的數值，那么空氣壓縮機就按照一定的順序陸續開啟。如果檢測到的母管壓力值達到了設定的數值，那么空氣壓縮機就按照啟動順序反向陸續停機工作。在聯動控制系統的作用下，系統會自動判斷每天空氣壓縮機的工作時長，從而時間運行主機的自動切換。如果某臺機器長時間工作，那么系統就會自動識別并且將該機器停機，同時啟動其他運行時間較短的機器。通過這種聯動機制，可以避免某些空氣壓縮機長時間運行而其他機器長期停滯的現象。兩臺機器啟動的時間間隔可以通過系統進行設置，同樣的停機時間間隔也可以設置。本系統在第一次運行時，主機需要通過人工的方式在系統中進行選擇，其他機器則在主機啟動之后按照一定順序陸續啟動。本系統設置有緊急停機按鈕，當出現緊急情況時通過按下該按鈕可停止所有空氣壓縮機的運行。在操作人員的操作下才可以繼續后續的工作，可在系統中實現主機的自動切換，這樣在運行主機出現故障時系統能夠根據相關的設置自動切換主機，確保整個空氣壓縮系統的正常穩定運行。

3 礦用空氣壓縮機故障診斷預警功能

3.1 故障診斷專家系統

本文所述的礦用空氣壓縮機故障診斷專家系統主要由六部分構成，分別為知識庫、數據庫、人機接口、推理機、知識獲取機制和解釋機制[5]。其中知識庫和推理機是整個專家系統中最為關鍵的內容。首先需要通過傳感器檢測采集空氣壓縮機的運行狀態數據，系統針對檢測得到的數據信息進行分析和處理，并基于這些數據信息判斷空氣壓縮機的狀態，推理得到機器是否可能出現故障問題，以及造成這些問題的原因?；赑ower Builder 9.0 平臺搭建空氣壓縮機故障診斷專家系統，能夠針對機器故障開展多極化推理，同時還可以給出推理結果的可信度信息，并根據推理結果給出故障問題處理方案[6]。通過SOL Server 2000 數據庫系統來搭建專家系統中的知識庫，并且基于故障樹分析法來構建故障樹模型，通過建立的模型對空氣壓縮機潛在的故障進行分析診斷和推理。在故障樹模型中，空氣壓縮機的系統故障為頂層事件，其推理的順序為從上而下，從而獲得潛在的系統故障的中間事件類型，比如油壓太低、軸承故障等，然后再基于中間事件類型進一步推理得到底層事件類型。例如，中間事件為軸承故障，則底層事件可能為軸承磨損導致間隙太大，甚至可能是軸承出現徹底損壞等。可以看出，在故障樹模型中，空氣壓縮機不同故障類型之間通過邏輯門進行連接。故障診斷專家系統綜合考慮機器的結構特征、功能特征，以及中間的邏輯關系，建立系統完善的邏輯故障樹，并且將該推理模型存放在知識庫中，推理過程按照該邏輯故障樹的邏輯進行。

3.2 故障延時預警以及報警死區

如圖2 所示為空氣壓縮機故障延時預警基本原理圖。虛線表示空氣壓縮機在運行過程中檢測到其中一個參數達到預警值時的變量曲線，而實線則表示延時之后的變量曲線。當某一參數達到預警值時，即t1時刻，就會引發系統報警，此時開始延時。延時時間為T，在整個延時過程中，如果該數值仍然超過了預警值，那么系統就確定需要報警，見圖2-1。如果在延時時間T范圍內，該數值降低至預警值以下，那么系統就會取消預警，不會產生報警信號，見圖2-2。設置延時時間的目的是因為空氣壓縮機在運行過程中可能受外界因素影響，某些運行狀態參數會出現較大波動，從而超過設置的預警值。但這種波動是暫時性的，不會對整個系統的安全穩定運行構成威脅，沒必要進行報警。例如，空氣壓縮機在啟動的瞬間會產生非常大的電流，該電流值是其正常運行時電流值的5～8 倍，這種情況下如果不設置延時報警，那么空氣壓縮機每次啟動時系統都會進行報警，反而會對空氣壓縮系統的穩定運行造成影響。

空氣壓縮機在實際運行過程中，某些參數可能在預警線上下范圍內頻繁波動，從而導致系統不斷報警，但報警很多都是不真實的，不利于系統的穩定運行。基于此，本文所述的故障預警系統設置了一個報警死區，該報警死區的范圍可以在報警系統中根據實際情況設置。如圖3 所示為空氣壓縮機故障報警死區基本原理圖。基本原理是在原報警線的基礎上設置一個報警范圍，該范圍稱為死區范圍，超過死區范圍系統才會發生報警，當機器運行參數在死區范圍波動時系統不會發生報警動作。通過設置死區范圍，可以降低很多不必要的錯誤報警行為，提升了空氣壓縮機預警系統的可靠性。

圖2 空氣壓縮機故障延時預警基本原理圖

圖3 空氣壓縮機故障報警死區基本原理圖

4 系統上位機畫面的構建

本系統在上位機中建立遠程集控動態畫面，在畫面中呈現空氣壓縮機的整體布局以及虛擬結構，同時在畫面中建立模擬仿真的管道開機流動動畫。通過生動豐富的畫面，相關的操作人員可以快速準確的掌握整個空氣壓縮系統的實際情況，防止出現誤操作行為。在畫面中設置所有空氣壓縮機的啟停按鈕，通過該按鈕可以實現積極的遠程啟停。還創建有單控/聯控切換按鈕，通過該按鈕能夠在單機控制和聯動控制之間進行靈活轉換，使之更滿足實際需要。畫面中還設置有空氣壓縮機運行狀態顯示窗口，該窗口中會實時顯示所有機器的運行狀態參數，通過該窗口操作人員能夠實時掌握所有空氣壓縮機的運行情況。