礦井空壓機遠程監測及智能聯控系統的設計

楊志懷

（山西壽陽潞陽麥捷煤業有限公司，山西 壽陽 045400）

引言

空氣壓縮機為礦井生產中的主要動力設備之一，其將空氣壓縮到一定壓力后，為風鎬和風鉆等設備提供動力。根據冷卻方式的不同將礦井空氣壓縮機分為空冷空壓機和水冷空壓機。一般的，由于空冷空壓機對現場的通風量具有較大的依賴性，礦井一般以水冷空壓機為主。在實際應用中，水冷空壓機主要表現為電能消耗較大且出口氣體或溫度過高等問題[1]。為此，本文基于先進的傳感器及數據處理技術實現水冷泵與空壓機的智能聯動控制，保證管路壓力的穩定性，降低電能的消耗。

1 水冷空壓機的基本結構與工作原理

水冷空壓機主要包括氣路系統、油路系統和水路系統，三者相互獨立，且相互之間的密封良好。

如圖1所示，根據水冷式空壓機的工作過程可分為吸氣、壓縮、壓縮氣體與噴油以及排氣四個過程。其中，吸氣過程將現場的空氣充滿并封閉主轉子、從轉子與殼體的間隙之間；壓縮過程為主轉子、從轉子與殼體的間隙在轉子的角度作用下減小，從而實現對氣體的壓縮；壓縮氣體與噴油的過程為氣體在被壓縮的同時，在氣體壓力差的作用下潤滑油被噴入壓縮腔內，繼而達到在對氣體壓縮的同時實現密封、潤滑以及冷卻的目的；排氣過程為氣體壓縮成為一定壓力后通過轉子的旋轉排出，并為下一個循環的吸氣過程做準備[2]。

圖1 水冷空壓機工作原理示意圖

2 空壓機遠程監測及智能聯動控制系統的總體設計

智能聯動控制指的是水冷空壓機中冷卻水泵和空壓機兩個控制部分的聯動控制，根據其中一個設備的工作狀態對另一個設備的運行狀態進行實時、精準控制。其中，空壓機的控制包括對設備的啟停、加載卸載以及變頻調速控制等；冷卻水泵的控制主要是對冷水水泵電機的變頻調速、啟停控制，對進水閥和開水閥等開關的控制。智能聯動控制功能實現的基礎為對空壓機和冷卻水冷的在線監測，基于PLC控制器對監測數據進行分析處理并通過工業以太網、RS485通信協議實現數據傳輸達到顯示、記錄、故障報警等功能[3]。

結合智能聯動控制系統的功能，將其總體結構分為數據遠程監測存儲以及預警層、數據通訊及信號傳輸層、數據檢測采集與控制層的上、中、下三個層次。數據遠程監測存儲與預警層具備數據顯示、曲線查詢、數據存儲、超限預警等功能；數據通訊及信號傳輸層包括光-網轉換模塊、以太網和RS485總線模塊等；數據檢測采集與控制層基于電參數采集模塊和傳感器檢測模塊實現數據采集與控制功能。

3 空壓機遠程監測系統的硬件選型

本節重點對空壓機遠程監測系統設計的關鍵硬件進行選型。結合空壓機監控系統的功能，主要對相關傳感器、核心PLC控制器的選型設計。

根據水冷空壓機監測系統的監測項目，可將傳感器設備分為溫度、壓力、振動傳感器以及電參數采集模塊，具體選型結果如下頁表1所示。

表1 空壓機遠程監測系統傳感器的選型

PLC控制器為實現遠程監測和智能聯動控制的核心，本工程選用可靠性、響應速度較好的S7-300 224XP型PLC控制器。針對空壓系統和冷卻水泵系統所需監測和控制的項目，空壓機系統所需的開關輸入量為16點，開關輸出量為16點，冷卻水泵系統所需的開關輸入量為8點、開關輸出量為24點。而所選型的PLC控制器僅有14個開關輸入量、10個開關輸出量。因此，空壓機系統還需擴展一個DI/DO模塊，具體型號為EM223（8點）；水冷卻系統還需擴展兩個DO模塊，具體型號為EM222（8點）。

同理，根據空壓機系統和水冷卻系統的模擬量輸入/輸出點數的統計，空壓機系統需擴展兩個型號為EM235的AI/AO模塊、四個型號為EM231的AI模塊，水冷卻系統需擴展四個型號為EM235的AI/AO 模塊。

4 空壓機智能聯動控制系統結構的設計

本工程中的智能聯動控制系統包括兩部分的內容，首先是根據母管的壓力值對四臺空壓機運行狀態的自動啟停控制和變頻調速控制功能的實現；其次是結合空壓機的運行狀態對水冷卻泵進行控制，要求空壓機啟動前水冷卻系統已提前啟動，空壓機停機一段時間后水冷區系統才停機控制[3]。

如圖2所示，四臺空壓機分配了兩臺循環冷卻水泵。待循環冷卻水完全充滿空壓機系統后啟動空壓機，并根據溫度傳感器所監測的結果對循環冷卻水泵的流量進行實時調節；當空壓機完全停機后，對應循環水冷卻泵才能夠停機。

圖2 冷卻水泵與空壓機的智能聯動控制系統結構

該智能聯動控制系統還包括空壓機運行狀態之間的聯動控制，具體通過對啟停順序的控制和運行時間的控制兩方面實現。啟動順序控制原則為根據母管的壓力大小對啟動空壓機的數量進行確定，同時優先啟動具備變頻調速功能的空壓機，本著先啟動先停機的原則對空壓機進行停機控制。為避免某臺空壓機的長期運行導致其壽命、可靠性降低的問題，當某臺空壓機運行大于2 h后切換其他空壓機運行[4]。

5 結語

空壓機作為礦井生產必不可少的設備，主要為風鎬、風鉆等設備提供驅動力。為提升空壓機系統運行的自動化和智能化水平，降低設備的能耗，實現空壓機與循環水冷卻泵的智能聯動控制系統尤為重要[5]。基于對空壓機運行狀態監測的基礎上，結合母管的壓力值實現對空壓機之間的聯動控制；并且本著水冷卻泵先啟動后停機的原則實現與空壓機的聯動控制，期間根據空壓機出口氣體和潤滑油的溫度對水冷卻泵流量進行實時精準控制。