礦井空壓機監測系統的研究

武嫻花

（華陽二礦經營管理部，山西 陽泉 045008）

引言

煤礦空氣壓縮機是煤礦開采的主要動力系統，通過對礦井內空氣進行壓縮，減小同等質量空氣的體積，增大礦井內的系統壓力，從而產生動力源，帶動煤礦內的風鉆、風動鑿巖等機械設備作業。礦井空壓系統不僅工作效率高，而且安全系數優于電氣設備，降低了瓦斯和粉塵爆炸的風險。但是礦井空壓機本身仍存在一定的缺點，比如在空壓機運行過程中易出現供風不足、風包缺陷、積碳燃燒等現象，從而導致生產故障，因此加強煤礦空壓機的遠程監控是煤礦安全生產管理的一個重要內容[1]。本文針對空壓機中常出現的故障，提出了針對性強、診斷效率高的遠程監測方案。

1 空氣壓縮機簡介

煤礦一般使用的是螺桿式空氣壓縮機[2]，具有高效率、高安全性、噪音低和不易損壞的優點，它持續輸出壓縮空氣作為井下機械設備的動力。一般由機體、壓縮、傳動、潤滑、冷卻、操縱調節和動力等系統組成，其主要部件功能如下：空氣濾清器提示壓縮機是否需要除塵保養；進氣閥用于調節井內真空；溫度傳感器檢測排氣溫度，超過設定值后發出報警信號；油位檢測器控制壓縮機內油位；油過濾器去除油中顆粒，防止對轉子、齒輪、軸承等機械旋轉部位造成損害；油氣分離器將壓縮機內0.1 um 以上的霧狀油氣濾去；安全閥作為備用部件，主要用于當壓力開關出現故障時自動打開泄壓，而壓力維持閥時是確保壓縮機內壓力穩定的重要裝置。空壓機的工作原理是先由轉子轉動至進氣口，將空氣引入壓縮機，然后密封；進入機內的氣體被壓縮至一定體積，達到額定壓力值，最后轉子轉動到排氣口，排出氣體。

2 空氣壓縮機監控方案的確認

以錢家口煤礦為研究對象，分別在井下800 m水平安裝六臺空氣壓縮機，井上安裝四臺空氣壓縮機，監控方案需滿足以下五個功能[3-4]：

1）實時采集壓縮器排氣溫度數據，超出正常范圍進行預警和自動停機命令；

2）實時采集壓縮機排氣壓力數據，超出正常范圍進行預警和自動停機命令；

3）油過濾器堵塞并預警；

4）油氣分離器堵塞并預警；

5）壓縮機內外壓力差超過0.18 MPa，壓縮機自動停機。

系統的監測參數主要有壓力、溫度、流量。當各參數超過閾值（見表1）時，系統預警并進入自動停機保護狀態。

表1 檢測參數閾值表

空壓機遠程監測系統包括上位機遠程監控子系統和下位機現場監控與控制子系統，首先由井上和井下的邏輯控制器采集壓縮機數據，通過PLC 總線系統傳輸至上位機，同時設備若出現異常，系統進行聲光報警提示。下頁圖1 為監測系統整體結構示意圖。

圖1 監測系統整體結構示意圖

3 空壓機遠程監測系統的硬件研究

空壓機遠程監測系統硬件部分由井上和井下兩部分組成，以可編程邏輯控制器為核心，由傳感器、控制器和通訊系統等組成。由傳感器將采集的各種參數傳輸給PLC 進行處理和計算，再將結果輸出顯示或者作為報警信號。其中PLC 硬件模塊選擇如下：CPU 模塊選擇8 位的小型PLC 微處理器，型號為西門子S7-200CPU226，用來存放系統和用戶程序；顯示模塊采用威倫通7 寸觸摸屏，通訊模塊選擇西門子網絡擴展模塊，模擬輸入輸出模塊為EM231，采用差分或隔離方式，增強系統對輸入信號的抗干擾能力。

傳感器的選擇要考慮抗干擾能力、耐腐蝕能力、抗震能力和耐高溫能力，在礦井中常用的溫度傳感器有熱電偶測溫傳感器、冷端溫度補償、熱電阻傳感器、WTQ（Z）-288型溫度檢測儀、XCT-102型溫度調節器和XU-200型溫度繼電器，其中熱電偶傳感器的應用最廣泛，具有測量范圍寬、準確度高和穩定性好的優點；壓力傳感器常用的有彈簧管壓力傳感器，以彈簧管作為壓力敏感元件，適用于流體重力的測量，錢家口煤礦選用電觸點壓力表和YTZ-150型壓力表，其中電觸電壓力表安裝在室內，YTZ-150型壓力表不僅可實現就地壓力檢測，還可通過通訊系統傳輸至遠程控制軟件；流量傳感器可根據壓縮機類型和用途的不同進行選擇，如LCX型流量傳感器可以作為空壓機冷卻水流量遠程監測和報警裝置，射流式流量傳感器一般安裝在空壓機冷卻水管上，漂浮式流量傳感器一般設置在空壓機冷缺水開路循環系統的排水漏斗的下方，當冷卻水中斷時，基于水漂浮原理控制電氣觸點，觸發警報或緊急停機；漏斗式流量傳感器即采用排水漏斗監視水流，水流正常時，報警電路斷開，流量超出閾值時，漏斗下端的連接杠桿順時針旋轉，電路接通并觸發報警。

4 系統軟件程序的研究和開發

系統軟件程序的開發包括上位機和下位機程序，上位機程序功能包括實時和歷史數據顯示、實時歸類顯示、報警數據顯示、當前配置顯示等，并具備語音和圖形功能，同時也具備便利的查詢功能，可對整個數據庫的數據進行查閱和檢索，還可以根據使用需求，在不影響系統其他部分正常工作的前提下，添加或刪除分站或傳感器等設備，在軟件中分別設置了系統界面、主界面和運行界面，系統界面包括操作人員登錄系統以及相關參數修改，主界面能夠直接反應空壓機的運行狀況，實時顯示壓力、流量等數據，以及指示燈報警和緊急停機按鍵，運行界面則能將設備運行的所有狀況保存在數據庫，減少了人工巡視和記錄。在下位機主程序中，首先當系統上電、復位后，系統開始初始化，由MODBUS 通訊子程序進行通訊故障判斷，若故障確認存在，則輸出故障提示或預警；若故障不符合，執行下一級命令，讀入數據存儲區和設定值，再次進行故障判斷，若符合則觸發報警；若仍不符合，則通過遠程通訊系統傳輸反饋結果，系統返回到初始狀態。

5 結論

針對空壓機的監測系統，主要將原先的由繼電器線圈控制機械觸點動作的線路替換為邏輯控制電子觸點的PLC，同時采用智能數字化的傳感器，使得監測系統工作效率和安全系數大幅度提高，操作和使用明顯簡化，高效地實現了空壓機運行狀態的監控。