一種改進型的礦山空壓機集中控制系統

洛陽中重自動化工程有限責任公司 河南洛陽 471039

作為礦山主要設備之一的空壓機，穩定性和可靠性直接關系到礦方的正常生產，其能耗水平也是考量空壓機降本增效的一個重要指標?；诖?，借助于自動化控制、總線通信、數據統計與處理、智能算法等技術，針對性地開發了一種空壓機集中控制系統。該系統不僅具備多種控制功能，且能實現空壓機的自動調度及優化控制。在滿足現場實際用風的基礎上，可以減少空壓機空載及無效運行時間，提高空壓機加載率和母管壓力的穩定性。

1 系統方案

空壓機集中控制系統如圖1 所示[1]，由多臺空壓機、風壓及風溫傳感器、壓風管路、管路閥門、風包、風包母管壓力及溫度傳感器、低壓配電柜、自控系統 PLC 柜、電能采集儀表及上位監控系統組成。

控制系統采用 IPC+PLC 控制架構，分為中央監控中心、PLC 自控系統、現場控制三級控制模式，對整個機房內的空壓機、檢測儀表、閥門、風溫和風壓傳感器等進行管理和控制。

中央監控中心以工業控制計算機為硬件平臺，配套專業組態及工控平臺軟件[2]，與 PLC 自控系統采用驅動程序連接，實現數據交換；PLC 自控系統以高性能 PLC 控制器作為主控制核心，實現空壓機運行數據的采集。所有空壓機采用邏輯啟?？刂?，具有優化調度控制功能。PLC 控制器采用硬線端口及總線通信與多臺空壓機連接，實現信號交互和狀態數據采集，集控系統框圖如圖2 所示。

圖1 空壓機集中控制系統Fig.1 Centralized control system for air compressor

圖2 集控系統框圖Fig.2 Block diagram of centralized control system

單臺空壓機作為整個系統內的第三級，配置有獨立操作及控制面板，可以實現空壓機的就地啟?？刂啤蹈募氨O控、運行保護控制功能[3]。

2 系統功能設計

集中控制系統可與新建空壓機系統集成，同樣適用于對原有空壓機電氣系統進行改造，為空壓機增加電能采集模塊，增加遠程控制回路的信號接入與輸出。利用總線通信，采集空壓機的運行及狀態數據。利用 PLC 強大的數據處理機邏輯控制功能，以母管壓力為控制目標，以空壓機“均勻磨損”為基準，實現多臺空壓機的智能優化控制。

2.1 操作運行控制

PLC 自控系統以西門子 1513-2PN 高性能 CPU為控制核心[4]，配置必要的輸入、輸出、通信卡件，實現全部空壓機操作指令的發出，完成對所有空壓機運行信號、狀態信號和保護信號的監測，滿足工藝運行需求的參數調整與輸出。中央監控中心配合工控軟件負責空壓機的統一調度管理，實現系統控制結構優化，優化控制功能的切換、數據上傳和下載[5]。整個系統操作簡單，可實現空壓機無人值守模式下的設備操作，操作運行控制功能如下。

(1)遠程/就地模式 遠控模式下，設備的控制和狀態顯示、報警均由后臺監控系統實現。

(2)手動控制 保留原空壓機的手動控制方式，且手動控制方式具有優先權，保證集控系統出現故障時空壓機的正常工作。

(3)自動控制模式 無需人為干預，由 PLC 自動控制，根據排氣壓力、風包壓力、終端用氣壓力自動控制空壓機啟停數量、加卸載，做出合理的調配組合。

(4)實時控制 實現空壓機運行工況實時監測。

(5)人機界面 可提供遠程模式下所有空壓機的啟?？刂?，風包的定時放水控制，參數調整控制及設備運行狀態顯示功能。

(6)遠程集控模式 人機界面提供了遠程手動/自動，單臺空壓機輪巡控制投入/切除，溫度振動報警故障值的上傳下載，設備遠程手動“掛起”功能。

(7)參數設置 對系統關鍵運行參數設置界面手動調整功能，可根據實際工況對系統運行參數進行調整，以適應復雜的工況。

(8)實時監控 監控并存儲空壓機的運行實時曲線，能生成空壓機的故障、運行、操作記錄，能進行故障時的聲光預警及語音提醒。

2.2 總線通信及數據采集

空壓機作為一個獨立的具備完整工藝運行功能的單機設備，配置有控制器、操作面板、狀態顯示器。單體設備操作時，可以自主實現軟啟動、自動加卸載控制、故障安全保護、狀態與運行信息采集及顯示等功能。同時，空壓機留有遠程控制接口，支持采用硬線端口或者通信端口連接，實現遠程控制。

PLC 控制器配置 RS485 總線通信卡件[6]，支持MODBUS_RTU 通信，采用屏蔽雙絞線與空壓機控制面板、電能采集儀表、溫度振動巡檢儀表通信端口連接，以輪巡的方式發送和讀取數據?？偩€通信網絡采用“菊花鏈拓撲”結構，所有的空壓機控制器面板、電能儀表、巡檢儀表作為通信子站，通信端口“A，B”由雙絞線串聯在一起，然后連接至 PLC 通信卡件的“A，B”端口，為了保證通信質量和傳輸距離，通常將通信終端子站的A、B 端子間并聯一個120Ω的精密電阻，拓撲結構如圖3 所示。

采用總線通信，可將空壓機內部對外開放的所有信息全部上傳至集中控制系統。通過這些信息，調度人員能夠掌握每臺空壓機的實時運行狀態，出現故障及報警時，能夠精確判斷故障類型，以便及時、準確地進行處理。

2.3 智能優化控制

圖3 總線通信網絡拓撲結構Fig.3 Topology of bus communication network

在空壓機母管增加壓力檢測，以母管壓力為最終的控制目標，決定啟動空壓機的數量。同時，實時計算每臺空壓機的單次及累積運行時間和加載時間，根據采集的加卸載信號判斷空壓機的運行狀態，控制空壓機的啟動和停機，在滿足現場使用需求的前提下，實現母管壓力閉環控制和空壓機的輪巡優化控制[7]，提高空壓機加載率，降低總體能耗。

(1)輪巡工作 利用軟件編程功能，實現空壓機運行時間、運行數據的統計計算，自動記錄和計算空壓機的累計運行時間，并按照運行時間的長短進行排序，按照累積運行時間長短確定啟停機優先級，優先啟動無故障、累積運行時間最短的空壓機；停機時，優先停止運行時間最長的空壓機。依照此種自動控制模式，可實現所有空壓機累積運行時間輪換工作，均勻磨損，最大程度延長空壓機使用壽命。通過程序排序控制，空壓機累計運行時間均衡偏差可控制在 1 h?？諌簷C按照時間輪巡運行排序代碼如下：

(2)壓力閉環控制 空壓機的能耗及加載率與負載實際用風量、空壓機本身的工作狀態、設備狀態及參數設置密切相關。由于每臺運行中的空壓機是否加卸載取決于空壓機本體上設定的加載壓力值、卸載壓力值和空壓機的排風壓力實際值?？諌簷C是否啟動受控于設定的母管正常工作的壓力下限和壓力上限。當母管壓力低于下限時，增加啟動 1 臺機子，壓力緩慢上升；當設定的壓力穩定時間到時，如果母管壓力尚未達到設定的正常工作的母管壓力上限，則繼續增加啟動 1 臺機子，直至母管壓力達到正常工作壓力上限，停止增加啟動空壓機。不合適的工作參數及設備狀態會導致空壓機加載率低、空載時間過久、工作時間不平衡，最終導致設備效率低下，能耗增加。如空壓機加載及卸載壓力設定值與設定的正常工作的母管壓力上限及下限值不匹配，易造成啟動的空壓機不加載，空載過久造成能源浪費；母管壓力上限與空壓機卸載壓力相同或高于卸載壓力，造成啟動后的空壓機不加載；母管壓力下限高于加載壓力，造成運行過程中的空壓機尚未開始加載，而又增加啟動了 1 臺空壓機。

基于上述控制流程，在風包母管增加壓力傳感器，檢測實時風包壓力，以滿足現場實際需求的母管壓力為控制目標。采用 PID 控制策略，實現母管壓力的閉環調節控制，盡量減少母管壓力的大范圍波動，避免某臺空壓機頻繁啟停機；對于所有的空壓機，將空壓機的加卸載壓力設置為統一值，可最大程度地提高每臺空壓機的加載率，并保證運行中的空壓機均衡工作。壓力閉環控制邏輯流程如圖4 所示。

3 實際應用

圖4 壓力閉環控制流程Fig.4 Process flow of closed-loop pressure control

目前，空壓機集中控制系統已經在礦山行業多個現場投入使用。在中央監控室，操作人員按照實際需求，更改空壓機系統的操作方式，自動/手動啟?？諌簷C，實時調整自動輪巡方式下工作壓力的上下限值，控制停機時間。當某臺空壓機檢修或故障時，系統自動將其退出輪巡操作。操作人員也可手動干預，將特定的空壓機退出輪巡控制。采用壓力閉環調節控制，在自動方式下，母管壓力波動范圍可嚴格控制在設定的工作壓力區間，以此提高空壓機加載率，縮短空壓機空載運行時間，降低能源消耗。以內蒙古某金屬礦 6 臺空壓機為例，改造后，整個機房運行指標如表1 所列。

表1 內蒙古某空壓機系統運行指標Tab.1 Operation index of an air compressor system in Inner Mongolia

4 結論

改進型集控系統可保留空壓機原有完整的運行控制功能，系統運行狀態檢測齊全，操作及控制更加人性化和智能化，特別適用于空壓機無人值守改造。但是，由于管阻及管道沿線泄漏會導致風包出口壓力與負載壓力不一致，最終表現為以風包出口壓力為控制目標的壓力調節有一定的偏差，需要重點關注。同時為了保證空壓機無人化改造后的安全可靠，可重點關注空壓機內部的油路泄漏及高溫的實時監測問題。