空壓機檢測與控制系統(tǒng)的研究

趙丞達

（華陽集團一礦，山西 陽泉 045000）

引言

壓風系統(tǒng)是礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分之一，其為風鎬、氣錘、氣動鑿巖機等風動機械設備提供動力，由空氣壓縮機、空氣過濾器、安全保護裝置等組成[1]。空氣壓縮機（簡稱為“空壓機”）是壓風系統(tǒng)的關鍵部件，能夠將空氣壓縮并運送，同時能降低設備溫度，提供空氣壓力動力[2]。因此，建立穩(wěn)定、高效的空氣壓縮機監(jiān)控系統(tǒng)是一個重要的研究課題。近年來，國內(nèi)外專家在空氣壓縮機的自動化方面開展了大量的研究工作，并取得了優(yōu)秀的研究成果。如國外研發(fā)的PDM 3000型空氣壓縮機在線實時監(jiān)控系統(tǒng)[3]，能夠實時顯示空壓機的重要參數(shù)，同時發(fā)出啟動、關閉、停機或報警等預警信號，實現(xiàn)了空壓機的高效自動化管理，大幅度降低了人力成本；國內(nèi)如哈爾濱工程大學丁才發(fā)教授團隊研發(fā)的SACDS 空壓監(jiān)控系統(tǒng)[4-5]，能實現(xiàn)熱力、振動、電流等80 多個參數(shù)的在線監(jiān)控。綜上所述，空壓機監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)和應用是未來礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的關鍵。本文以通礦集團大成礦在用空壓機為研究對象，設計了空壓機的自動化監(jiān)控方案，該方案基于PLC、觸摸屏和組態(tài)軟件對空壓機的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，并提供空壓機的啟動、停止和報警等控制操作，保證空壓機的安全、穩(wěn)定運行。

1 空壓機檢測與控制系統(tǒng)硬件設計

1.1 傳感器的選擇

由于監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用是檢測空壓機的運行參數(shù)，如排氣溫度、排氣壓力、主機電壓和電流、電動機運行狀態(tài)和電機振動，因此傳感器的性能將直接影響監(jiān)控效果。本文重點討論了溫度傳感器、壓力傳感器、電動機參數(shù)采集模塊與互感器和電動機振動傳感器的選擇。

1.1.1 溫度傳感器

常用的溫度傳感器有熱電偶溫度計、液體膨脹式溫度開關和固體膨脹式溫度開關3 種，其中固體膨脹式溫度開關適用于100 ℃以下的溫度檢測，液體膨脹式溫度開關多在100～250 ℃的溫度范圍內(nèi)使用，而熱電偶溫度計適合250 ℃以上溫度的測試。當空壓機內(nèi)溫度超過1 100 ℃時，空壓機需停機報警，因此本文選擇熱電偶型傳感器，溫度檢測元件為ZSBWR 一體化數(shù)顯溫度變送器。

1.1.2 壓力傳感器

空壓機的正常運行需滿足以下兩個條件：一是保證潤滑油壓力在一定范圍內(nèi)，若壓力超過0.17 MPa時，空壓機啟動運轉；當壓力下降至0.14 MPa 時，空壓機停止運轉。二是空壓機的出口排氣壓力要保持在一定范圍內(nèi)，若壓力超過0.75 MPa，空壓機停止運轉，這一措施的目的是防止壓力過大造成機器損壞。本文采用MB420 智能壓力變送器監(jiān)控潤滑油壓力和出口排氣壓力。

1.1.3 電動機參數(shù)采集模塊和互感器

本文采用EDA9033A 三相電參數(shù)采集模塊，能夠直接采集電動機的三相電流，三相電壓，三相有功功率、無功功率及功率因數(shù)，具有方便快捷、安全系數(shù)高、成本低等優(yōu)勢。根據(jù)主機電流的大小選擇合適的互感器，互感器包括C-26、C-30 和C-64 三種類型。C-26的內(nèi)徑為26 mm，電流范圍為0～300 A；C-30的內(nèi)徑為30 mm，電流范圍為0～400 A；C-64的內(nèi)徑為64 mm，電流范圍為0～1 000 A。根據(jù)本文主機電流大小，最終選擇電流范圍為0～300 A的C-26型。

1.1.4 電動機振動傳感器

電動機振動的正常與否是判斷設備是否需要停機維修或保養(yǎng)的重要依據(jù)，標準的電動機振動頻率為4.5 mm/s，根據(jù)振動頻率，從而確定電動機的運行狀態(tài)。本文選擇BVM-200B 一體化型振動變送器，能夠監(jiān)控包括機殼、軸瓦、軸系等在內(nèi)的振動形式。

1.2 PLC的選擇

傳統(tǒng)的礦井空壓機采用繼電器控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)控制線路復雜、工作人員操作難度大、維護不便、成本昂貴，嚴重影響了煤礦的高效生產(chǎn)。而PLC 控制系統(tǒng)將繼電器控制技術、計算機技術和通信技術三者完美結合，具有功能強大、抗干擾性高和可靠性強的優(yōu)點。PLC 作為監(jiān)控系統(tǒng)的核心，采用3 層集散的結構框架，由數(shù)字量和模擬量的模塊采集空氣壓縮機的傳感器等信息，啟動編譯程序，輸入采集信號進行邏輯運算，最終啟動相關指令。PLC的選擇應滿足以下3 個條件：PLC 機型與目標任務相匹配；數(shù)據(jù)處理速度足夠快，滿足實時監(jiān)控要求；PLC 機型應保持一致。經(jīng)過比較和篩選，本文選用西門子生產(chǎn)的S7-200 系列的224XP-PLC。為保證足夠的計算容量，經(jīng)過計算輸入點數(shù)為14，輸出點數(shù)為10。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的要求確定系統(tǒng)的輸入和輸出設備。本文對3 臺空氣壓縮機進行了檢測和控制，輸入設備包括14 個按鈕開關，10 個模擬量輸入，輸出設備為25 個控制繼電器。

2 空壓機檢測與控制系統(tǒng)軟件設計

空壓機檢測與控制系統(tǒng)的軟件設計包括上位機和下位機程序設計兩部分。下位機程序包括控制系統(tǒng)主程序、A/D 轉換子程序和3 個空壓機的報警子程序。此外，自動化控制方案的創(chuàng)新之處在于添加了觸摸屏，便于人機交流。觸摸屏的設計是在Easy Builder 8000 軟件中完成的，根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視內(nèi)容確定觸摸屏的參數(shù)畫面。參數(shù)設置完成后，將觸摸屏連接至PLC 和上位機，最終在觸摸屏上可以實時顯示空氣壓縮機的狀態(tài)參數(shù)，同時操作人員可以通過按鈕控制開關量，對用戶現(xiàn)場測量觀察系統(tǒng)及設備的性能具有很重要的作用。上位機程序通過組態(tài)軟件進行編譯，組態(tài)主畫面能夠進行相應控制操作，同時以圖像或實時動態(tài)的形式顯示空壓機的運行狀態(tài)和監(jiān)測參數(shù)值。

考慮到用戶需要根據(jù)參數(shù)變化趨勢進行原因分析，本文在組態(tài)設計時添加了實時、歷史趨勢曲線的界面，實時趨勢曲線是實時監(jiān)控參數(shù)的變化趨勢曲線，歷史趨勢曲線是對歷史數(shù)據(jù)進行了再分析，方便用戶總結規(guī)律，同時用戶可在報表畫面查詢、編輯或打印歷史或實時數(shù)據(jù)。空壓機監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能之一是，當實時狀態(tài)參數(shù)超過設定值后提供報警信息。本文在組態(tài)軟件設計時設置了4 個越限報警功能，即當排氣溫度過高、潤滑油壓力過低、排氣壓力過高和電動機振動過快時，監(jiān)控系統(tǒng)就會發(fā)出警告，引起工作人員注意，并采取相應的措施。

3 應用效果

針對礦井空氣壓縮機的檢測和控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化和改進，采用傳感器采集空壓機溫度、壓力和電機振動等狀態(tài)參數(shù)，確定了各監(jiān)控參數(shù)的傳感器類型；通過PLC、觸摸屏和組態(tài)軟件對空壓機進行了檢測和控制。該自動化監(jiān)控系統(tǒng)功能強大、操作方便、易于維護，保障了礦井的安全生產(chǎn)。