礦井空壓機遠程監測控制系統的研究

趙 鑫

（華陽集團五礦機運區，山西 陽泉 045000）

引言

煤礦空氣壓縮機，簡稱空壓機，它主要是通過壓縮的方式降低該質量下的空氣體積，相較于未壓縮前形成較大的空氣壓力，并將其積聚的壓力轉換為動力帶動一些相關施工機械設備進行作業，如空氣錘設備、風鎬設備、風動鑿巖、裝巖機械設備以及風鉆等相關設備[1]。針對一些事故多發的礦井，包括易涌出有害氣體、瓦斯煤塵等易發生爆炸等，相對于電氣設備，空壓機等風動設備優勢相當明顯。除此之外，在掘進礦山巖石施工作業中，此種壓風設備具有較強的沖擊力能夠鉆削礦井中堅硬的巖石。雖然空壓機在礦井生產中適用性強，但其在惡劣的運行工況下事故頻發。常見事故包括，風包缺陷、供風不足、積碳燃燒以及風包爆炸等，對施工人員以及施工環境造成了一系列的安全威脅。這些主要是由于對空壓機監測不到位，安全保護措施采取不及時，過多的積炭燃燒導致爆炸事故的發生。傳統的監測方式主要是基于煤礦安全員的在施工現場抄表監測，監測水平技術落后、繁瑣，極大地影響了煤礦安全生產、高效生產的生產效率。為解決這一問題，開設礦井空壓機遠程監測控制系統的研究也是一項重要的研究課題。

1 工程概況

某煤礦井上安裝4 臺空壓機，井下安裝6 臺空壓機。在井上，空壓機機房距辦公大樓600 m；在井下，空壓機分布總長為2 500 m。空壓機在井下分布情況詳細如下：井上空壓機機房距井口約400 m；井口距-600 m 水平下井口600 m；-600 m 水平下井口距-850 m 水平上井口480 m；-850 m 水平上井口距-850 m 水平下井口250 m；-850 m 水平下井口距井下壓縮機機房610 m，井下壓縮機機房則總長160 m，如圖1 所示。

圖1 某煤礦空壓機在井上、井下的分布情況

該煤礦使用的空氣壓縮機為螺旋桿式，它主要通過輸出壓縮氣為井下的相關設備提供動力支持，相較于電力設備，其無火花產生、避免觸電事故的發生、低負載等運行特點[2]。除此之外，該類型空氣壓縮機具有高效率、低噪音、小振動以及使用穩定等特點。該空壓機主要由七大機構組成，包括三個工作過程：首先，轉動轉子，由進氣口通入空氣，密封進入該機體的空氣；接著，壓縮氣體則空氣壓力上升，當該壓力壓縮至規定值，停止壓縮即壓縮完成；最后，轉動轉子，由排氣口排出壓縮空氣[3]。

2 工程參數

該礦空壓機在正常運轉時，其壓力、溫度以及流量等相關數值都在一定范圍內，這些值也作為監測參考，一旦超過限定值，則發生信號報警。相關監測參數以及閥值如表1 所示。

表1 遠程監測參數及其數值

除此之外，該空壓機應具備自動保護的特點以及監測系統功能，包括以下幾個方面：當空壓機的排氣溫度高于設定溫度時，需斷開常閉觸點，空壓機則停止工作。具體地說，針對井上空壓機，其排氣預警溫度為100 ℃，停機溫度為110 ℃；針對井下空壓機，排氣正常工作溫度為75～90 ℃，超出規定溫度范圍5 ℃，設備直接停機；實時監測所排出氣體的壓力范圍，排氣壓力的正常范圍為0.8 MPa；當水流量的壓力處于0.2 MPa 以下時，發生報警后停機；各類機構構件發生堵塞現象，則會直接報警，包括空氣過濾器、油氣分離以及過濾器等相關設備構件；可直接顯示出空壓機低水流量、過載、過高的軸溫以及排氣溫度異常等現象。

3 工程方案

針對第一部分確定出的井上井下各4 臺和6 臺空氣壓縮機，其中，井上空壓機選擇型號LU400-200型空氣壓縮機；井下空壓機則選擇MGL型空氣壓縮機，第二部分給出了所設置遠程監控系統的參數以及系統功能，本部分主要詳細闡述整個煤礦應用空氣壓縮機的工程方案。

該煤礦的遠程監測系統主要包括兩個子系統，遠程監測主要指上位機子系統；下位機為現場監測及控制子系統。上位機由工控機進行控制，其井上、井下空氣壓縮機的相關傳輸數據可由可編程邏輯控制器編輯處理并且經總線的方式傳輸至上位機。下位機則是由PLC 控制器來控制設備以及采集數據的完成。倘若設備在正常運行過程中超出所設定參數范圍，則會有聲光等報警聲發生并提示相關操作人員排除故障并實施相應的處理措施。為便于集中管理統一調度，該礦總辦公室亦可接受到相關異常信號，及時調整并發布處理方案。

針對井上空壓機的相關數據主要是輸入于可編程控制器PLC 中，它主要采取的通訊口為485，并選取Modbus 作為協議模式進行協議。所采集的井上空壓機數據包括溫度、壓力、流量、壓縮機主機一、二以及磁力啟動器的相關數據，經485 通訊和井上的工控機兩者間進行交換數據及處理數據。

井下空壓機的一些狀態包括：運行、電源、過流、漏電、高溫、反向、斷相、過載、油氣分離器堵、油過濾器堵等，可經磁力啟動器的智能芯片進行指示。老版井下壓縮機購買時間早，由指針式機械表監測溫度、壓力的示數，現主要是通過利用壓力傳感器、溫度傳感器等智能化設備將數據轉換為壓力、溫度等模擬信號進行采集；先前無485 通訊，現主要通過溫度以及流量等信號，采用的設計理念為模塊化，其網絡監視功能主要是利用遠程PC 機且顯示屏為現場可觸摸型，整個監測系統精確、穩定且具有可視化功能。該煤礦的井下-850 m 已被確定為瓦斯突出礦井，所涉及的儀器儀表均需符合GB3836的相關標準。鑒于該煤礦的6 臺井下空壓機間的間隔較遠，在每臺空壓機旁都應加之一臺PLC 控制器，便于后續整個遠程監測控制系統的擴展與升級且也有利于傳感器的走線布置，方便高效。

4 結語

傳統的礦井設備存在設備老化，技術落后等問題，以某礦井為研究對象，完成了礦井空壓機遠程監測控制系統的研究。根據其井上井下空壓機的分布情況，確定出需監測的具體項目及參數，規定出其正常監測設備的運行值范圍。將繼電器的機械觸點轉換為由PLC 控制的電子觸點，采用智能化傳感器，如此控制，不僅提高了生產效率，而且整個遠程監測控制系統簡單便捷且易于操作。