礦井空壓機集中式控制系統設計與應用研究

王 銓

（山西大同永定莊煤業公司， 山西 大同 037024）

引言

空氣壓縮機是保障煤炭開采效率的動力性設備，也是確保安全生產的保障性設備。目前，常用的空壓機控制方式有開關閥控制空氣壓力、電機起?？刂茐毫σ约半姍C變頻控制壓力三種[1]。大部分礦井使用的壓縮機控制方法還是手動操作控制或者是獨立式控制，不僅無法實現對壓縮機的集中控制。因此需要破除各個控制系統的屏障，實現集中式控制的目的[1-2]。

1 MLC-27.7-12.5-220P 型礦井空壓機簡介

MLC-27.7-12.5-220P 型空壓機是目前煤礦常用的主力空壓機型號，其整體結構能適應礦井惡劣的環境。在礦井中使用具備振動小、噪音小、可維護性高等優點符合礦井內機械設備使用的安全性。通過陰、陽轉子之間的相互擬合在潤滑油的機理作用下實現了精密契合[3]，防止了液、氣體的泄漏，在提高效率方面有積極作用。

MLC-27.7-12.5-220P 型空壓機通常分為單模桿型和雙螺桿型[4]。以最常用的雙螺桿型為研究對象，通過雙螺桿之間的相互作用實現了動平衡，在后期日常維護方面具有較大的便捷性。雙螺桿型整體結構示意圖，如圖1 所示。

2 空壓機控制系統簡介

大多數煤礦常采用5 臺空壓機，用并聯的方式進行控制連接。目前大多數系統以三菱FX-2n 和施耐德PLC 作為核心驅動部件[5]，實現空壓機的啟動、停止、保護、分析等核心功能。通常不同位置的封壓機采用不同型號的PLC 進行控制，并且通過預留接口的方式實現變頻器的接入。通過以水冷系統為例進行分析，如圖2 所示。

圖1 雙螺桿型空壓機整體結構示意圖

圖2 礦井水冷系統示意圖

圖2 中 1 號、2 號、3 號壓縮機采用的是施耐德PLC 進行控制，而4 號和5 號壓縮機是在用三菱PLC 進行控制。施耐德PLC 和數據接口更多，更容易實現后期的擴展。三菱PLC 主要是實現對外部電路的控制，執行上位機的電流信號，使得壓縮機在排氣過程中壓力保持正常。

3 集中式控制系統的方案設計

MLC-27.7-12.5-220P 型空壓機現有的控制系統為單個獨立控制，分別由每臺PLC 進行一對一的系統控制[6]，并且只提供手動的操作方式，發生操作失誤率的概率較高。同時，每個空壓機并非同一時間啟動工作，均會留1～2 個空調機作為備用狀態。當工作的空壓機供氣壓力不足時，將通過手動的方式啟動其余停止的空壓機。

因此，為了實現集中控制，應首先建立起空壓機與核心PLC 的通訊網絡，能夠遠程的操控空壓機。在布置硬件后應對上位機軟件進行編寫，能夠實時顯示各個位置空壓機反饋回來的數據信息，包括回水、電機、氣的溫度和壓力。在設計新控制系統時，應同時保留遠程控制和手動操作的兩種方式，使得整體系統能夠靈活便捷。整體集中控制系統設計示意圖，如圖3 所示。

圖3 新型集中控制系統設計示意圖

4 集中式控制系統硬件選型與軟件設計

4.1 硬件選型

通過對新型集中控制系統的整體結構設計，將進一步確定系統的硬件選型以及軟件的應用。通常將PLC 看做一個功率較大的繼電器，缺乏輸出命令的功能，因此應該選用可以輸出命令的可編程控制器。以西門子S7-300 型的控制器取代原有每個獨立控制的PLC 型號，實現上位機的集中化控制。

新型集中式控制系統應實現數據的互聯互通，并且增加了溫度傳感模塊。其中西門子S7-300 型的控制器的選型為CPU315-2PN/DP，該型號的CPU 采用了DP 通信接口，并且應用了先進的MPI 支持協議，各種數據通過工業以太網進行傳輸，減小了有線輸出，避免了網絡接口容易故障的問題。

數據I/O 接口模塊的輸入電壓設定為24 V，同時配備DC/AC 兩種同步輸入模式。其中DC 采用的是16 點輸入，AC 采用8 點輸入，可以在輸出過程中將數據分成若干組分。除了數字量的轉換外，模擬量的輸入采用8AI×l6 位模塊。AI 模塊的型號為SM331，一共有4 檔的響應時間分別為2.5 ms、16.5 ms、21 ms 和l10 ms。模擬量輸出模塊將與電流變送器進行連接，整體連接示意圖如圖4 所示。

4.2 軟件設計

由于選用的是西門子S7-300 型控制器，在軟件方面應根據適配原則選取Step7 的西門子編程軟件。由于硬件和軟件之間的適配性不需要增加modem 支持，同時對網絡系統進行構建，實現數據的傳輸。選用PROFIBUS 型號的數據通訊的總線技術，根據該型號的協議結構，數據連接器將直接通過網絡發送至DP 層。

圖4 SM331 與電流變送器連接示意圖

在軟件物理層設置4 個變頻器地址，并將總線分站的總數設置為11。通過對各個分站的通訊網絡進行設置，將集中控制系統的通訊模塊布置到每個變頻信號發出點，如圖5 所示。

圖5 控制分站通訊模塊地址分配示意圖

5 集中式控制系統的功能實現

如圖6 所示，利用WinCC 編寫的集中式控制系統上位機監控畫面，主畫面中顯示5 臺壓風機運行狀態，運行參數，包括電流、頻率、各種故障保護、風包溫度、水泵運行狀態等。同時每臺壓風機都有一個獨立按鈕，當需要控制1 臺壓風機時，按下按鈕，就會彈出每臺壓風機的控制界面，同時水泵界面也是獨立彈出控制界面，完成水泵的啟動停止。

通過軟、硬件的設計，對分站的運行狀況進行監控，如下頁圖7 所示。四號壓風機的控制界面，界面中由啟動、停止、加載按鈕，啟動、停止狀態顯示、電機電流、電機溫度、機頭溫度、變頻器中IGBT 溫度、排氣壓力、各類溫度顯示等。同時把各類數據信息以曲線的方式顯示在界面中，一旦壓風機出現故障，可以隨時查詢數據曲線，分析故障原因。遠程啟動、停止時，使用鼠標點擊相應按鈕，就可完成相應操作，同時觀察壓風機運行參數，啟動正常后，點擊加載按鈕實現壓風機帶載工作。

圖6 上位機監控畫面圖

圖7 分站四號空壓機的監控示意圖

6 結語

通過對MLC-27.7-12.5-220P 型空壓機集中式控制系統的設計研究，實現了空壓機的模糊PID 控制，便于礦井人員能夠集中對空壓機的運行參數進行采集和分析，提高了故障處理效率。