煤礦空氣壓縮機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

崔麗玲

（山西蘭花集團股份有限公司伯方煤礦分公司，山西晉城 048400）

0 引言

煤礦空氣壓縮機作為風(fēng)動設(shè)備的動力來源，為煤礦生產(chǎn)作業(yè)提供高壓氣體[1-2]。空壓機一般利用電動機將氣體在壓縮機腔內(nèi)進行壓縮處理，使空氣轉(zhuǎn)化為壓力氣體，為空氣動力設(shè)備例如風(fēng)鎬、鑿巖機等設(shè)備提供動力。常用的容積式空氣壓縮機將一定的空氣壓縮體積，提高壓力，在煤礦生產(chǎn)中使用廣泛，但目前大多數(shù)煤礦缺少對礦用空壓機的在線監(jiān)測與高效控制，造成煤礦空氣壓縮機的故障率以及能耗較高，給煤礦企業(yè)帶來了巨大的損失[3-4]。因此，本文針對目前生產(chǎn)中存在的這些問題，提出了設(shè)計一種主要針對煤礦空氣壓縮機的監(jiān)測控制系統(tǒng)，對空壓機設(shè)備的運行工況進行變頻控制和故障預(yù)警，可以有效保障礦用空壓機的安全經(jīng)濟運行，保護煤礦的生產(chǎn)效益以及生產(chǎn)安全。

1 總體方案

礦用空壓機監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心工控機、可編程邏輯控制器器、相應(yīng)傳感器、煤礦空氣壓縮機設(shè)備以及通信網(wǎng)絡(luò)組成。空氣壓縮機在煤礦企業(yè)中應(yīng)用廣泛，一般配備幾臺到十幾臺不等，為了適應(yīng)生產(chǎn)需求以及節(jié)約成本，本文采用一對多的監(jiān)控方式，利用一臺可編程邏輯控制器、一臺監(jiān)控中心工控機、多臺變頻器配合實現(xiàn)對多臺礦用空壓機的監(jiān)測與控制。應(yīng)用過程中，利用傳感器模塊收集空壓機各部位的溫度信號、壓力信號與電氣部件的電壓和電流信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，由控制器模塊判斷空氣壓縮機的運行狀況正常與否，根據(jù)判斷結(jié)果不同給出相應(yīng)的處理結(jié)果，同時處理器還會將數(shù)據(jù)與處理結(jié)果通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸給監(jiān)控中心的上位機，實現(xiàn)顯示、儲存、進一步分析統(tǒng)計的功能。監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件的選型

系統(tǒng)選用的硬件設(shè)備包括可編程邏輯控制器（PLC）、變頻器、工控機、傳感器、通信接口線纜等。可編程邏輯控制器是為在工業(yè)控制中應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)，本文選擇以其作為控制核心[5-6]。經(jīng)過分析比對，選擇西門子S7-300 系列中型PLC 作為監(jiān)控處理器。選用315-2DP 型號CPU，該型號功能強大，能夠滿足中小規(guī)模的控制使用。變頻器作為空氣壓縮機變頻調(diào)速實現(xiàn)的關(guān)鍵設(shè)備，結(jié)合實際應(yīng)用環(huán)境，選擇國產(chǎn)BPB-37型號礦用隔爆型變頻器，適用于具有瓦斯和粉煤塵爆炸危險的煤礦中，在電源電壓660 V，頻率50 Hz的系統(tǒng)中，通過改變供電頻率來控制交流電動機轉(zhuǎn)速對設(shè)備進行調(diào)速控制，可完成對動力負載的調(diào)節(jié)以及對電動機必要的保護。該變頻器啟動電流較小且啟動平穩(wěn)，能夠減少對電網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊，同時機械沖擊也較小，可以減少機械磨損，降低設(shè)備故障率[7-8]。

2.2 變頻調(diào)速控制模塊設(shè)計

礦用壓縮機主要作為風(fēng)動設(shè)備的動力來源，實際生產(chǎn)過程中，壓力氣體需求不斷變化，但在實際生產(chǎn)過程中，為了保障生產(chǎn)安全進行，一般保持設(shè)備持續(xù)啟停運轉(zhuǎn)以維持壓力。這就使得設(shè)備須頻繁啟停，不僅造成巨大的能耗損失，而且影響設(shè)備的服役壽命，給煤礦企業(yè)造成了巨大損失。因此本文利用PLC與變頻器搭配實現(xiàn)對空氣壓縮機電動機的變頻調(diào)速控制，系統(tǒng)通過PLC運算給出的不同功率需要，利用變頻器對供電進行頻率變換實現(xiàn)對空壓機電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。利用目前較為先進的數(shù)字變頻器，根據(jù)空壓機交流電機型號參數(shù)進行控制流程及參數(shù)設(shè)置、通訊連接，同時對過流保護、高低壓保護、超載保護、接地保護等安全保護分別進行設(shè)置，保障空壓機電動機的安全經(jīng)濟運轉(zhuǎn)。變頻調(diào)速控制模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 變頻調(diào)速控制模塊結(jié)構(gòu)圖

2.3 監(jiān)測預(yù)警模塊設(shè)計

系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警模塊主要實現(xiàn)對礦用空壓機各主要部件狀態(tài)參數(shù)的采集、監(jiān)測、預(yù)警功能。具體包括空壓電動機電流、電壓、電機轉(zhuǎn)速、電機軸溫度的監(jiān)測，空壓機主軸的振動監(jiān)測、氣體流量、風(fēng)包壓力監(jiān)測幾部分。利用相應(yīng)傳感器進行數(shù)據(jù)感知檢測，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換、濾波放大預(yù)處理后進入CPU 主程序進行狀態(tài)判斷，根據(jù)結(jié)果正常與否決定控制指令的調(diào)整以及聲光報警措施的執(zhí)行。

2.4 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)旨在實現(xiàn)現(xiàn)場檢測設(shè)備、數(shù)據(jù)處理控制器、上位機之間高效可靠以及實時通訊。S7-300 PLC 通過Profibus-DP 通訊協(xié)議實現(xiàn)與變頻器BPB-37 之間的信息交互。傳感器檢測數(shù)據(jù)利用模擬量輸入模塊SM331 實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的接收、在控制器內(nèi)完成A/D 轉(zhuǎn)換、濾波放大等預(yù)處理功能，由監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)主程序完成對數(shù)字量的逆變換以及運算。下位機（PLC）與上位機（工控機）之間借助以太網(wǎng)接口采用EtherNet/IP通訊協(xié)議實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)連接，并實現(xiàn)將監(jiān)控信息整合到管理層信息網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 軟件程序設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)軟件開發(fā)包括對PLC 的編程以及上位機的編程兩部分。針對PLC 的編程利用西門子開發(fā)的PLC 編程軟件STEP7實現(xiàn)。利用較為簡單的梯形圖（LAD）邏輯控制圖進行編程，簡單易學(xué)，節(jié)省開發(fā)時間。系統(tǒng)上位機監(jiān)控編程則利用工業(yè)控制中較為通用的組態(tài)王（KingView）軟件進行構(gòu)建。組態(tài)王由某科技公司開發(fā)，是一款專門針對上位機監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的國產(chǎn)工業(yè)組態(tài)軟件，開發(fā)人員可根據(jù)實際需要進行二次開發(fā)，具有成本低、簡單易操作、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢。開發(fā)過程中，利用工程瀏覽器建立新項目，借助圖形工具箱對監(jiān)控畫面進行設(shè)計。依次進行定義外部設(shè)備，定義數(shù)據(jù)庫變量，并完成通訊連接工作。系統(tǒng)可實現(xiàn)對監(jiān)控畫面、監(jiān)控位置的動畫顯示，數(shù)據(jù)趨勢曲線的構(gòu)建，報警窗口提示制作報告以及構(gòu)建數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能。系統(tǒng)監(jiān)控模塊主程序采用循環(huán)自檢的模式，啟動后，首先執(zhí)行初始化程序，對各模塊參數(shù)進行初始化自檢。而后，執(zhí)行對不同采集數(shù)據(jù)組的掃描、讀取、轉(zhuǎn)換、分析運算、判斷結(jié)果輸出等操作。系統(tǒng)的主流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)的主程序流程圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一套針對空氣壓縮機的監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)基于PLC 與變頻器搭配開發(fā)，并利用編程知識完成了對控制器程序以及上位機監(jiān)控程序的構(gòu)建與組態(tài)。系統(tǒng)可實現(xiàn)對煤礦壓縮機的監(jiān)測預(yù)警以及變頻速度調(diào)整，對系統(tǒng)進行了測試應(yīng)用，結(jié)果表明，系統(tǒng)具有可靠性好、穩(wěn)定性高、高效節(jié)能的優(yōu)勢，有很高的實用價值，預(yù)計可為企業(yè)增加可觀的經(jīng)濟效益。