煤礦井上空壓機自動集中控制系統(tǒng)研究*

周永杰

(山西焦煤集團有限責(zé)任公司 東曲煤礦機電科外維一隊，山西 古交 030200)

0 引 言

空氣壓縮機(Air Compressor)簡稱空壓機，是一種將電動機的機械能轉(zhuǎn)換為氣體壓力能的裝置，在煤礦行業(yè)的應(yīng)用十分廣泛。目前，大多數(shù)煤礦空壓機人工手動操作，7×24 h值班，根據(jù)需求頻繁對空壓機進(jìn)行啟動、停止操作，該控制模式安全性差、穩(wěn)定性不高、集成度低，無法滿足對煤礦用氣設(shè)備的基本需求。利用單片機、PLC、DSP等控制技術(shù)，對空氣壓縮機進(jìn)行集中控制，是煤礦用空氣壓縮機控制系統(tǒng)亟需解決的問題[1-3]。國外煤礦企業(yè)如小松、JOY、DBT等將PLC控制技術(shù)應(yīng)用于空壓機控制系統(tǒng)的改造以及集中監(jiān)控，經(jīng)過多年的發(fā)展和不斷完善，空壓機集中控制系統(tǒng)較為先進(jìn)和完善。國內(nèi)空壓機控制系統(tǒng)以及集中監(jiān)控系統(tǒng)的起步較晚，在借鑒和吸收國外系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在神東、同煤、永煤等企業(yè)已經(jīng)有空壓機實際應(yīng)用案例，但是在空壓機集中控制系統(tǒng)智能故障診斷、調(diào)度算法等方面存在一定的問題[4-7]。筆者以某煤礦空壓機實際運行情況，設(shè)計集中控制系統(tǒng)，采用模糊PID變頻控制策略，采用傳感器技術(shù)實時監(jiān)測空壓機運行參數(shù)并完善通信模式，保證空壓機運行的穩(wěn)定性和連續(xù)性。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

煤礦空壓機自動集中控制系統(tǒng)的目是實現(xiàn)空壓機參數(shù)在線監(jiān)測、在線控制以及井上下互聯(lián)互通，實現(xiàn)空壓機集中控制系統(tǒng)的智能化、信息化以及網(wǎng)絡(luò)化管理。煤礦空壓機自動集中控制系統(tǒng)工作原理如圖1所示，由控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)兩部分組成。視頻監(jiān)控系統(tǒng)部分在空壓機適當(dāng)位置安裝攝像儀，將空壓機運行狀態(tài)以及壓力、溫度、流量傳感器視頻數(shù)據(jù)上傳至交換機、硬盤錄像機后，在空壓機集中控制平臺的顯示屏中集中顯示，同時將視頻數(shù)據(jù)保存于硬盤錄像機中。控制系統(tǒng)部分由上位機、PLC控制柜、變頻器-空壓機組、低壓啟動柜以及傳感器組組成。PLC控制柜是空壓機集中控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)周期性采集空壓機設(shè)置參數(shù)、運行狀態(tài)、故障信息、傳感器數(shù)據(jù)以及水泵、風(fēng)扇等信息并上傳至上位機進(jìn)行集中顯示。PLC控制柜還可將上位機控制指令進(jìn)行解析并完成對指定設(shè)備的控制，如在集中控制平臺啟動冷卻水泵、冷卻風(fēng)扇，PLC控制柜接收到該命令并正確解析后，直接控制冷卻水泵啟停點得電并啟動冷卻水泵。空壓機控制模式由變頻器以“一對一”模式進(jìn)行控制，可完成變頻、工頻控制[8-9]。PLC控制柜與上位機之間采用TCP/IP通訊將空壓機所有數(shù)據(jù)上傳至上位機集中控制平臺、PLC控制柜與變頻器以及PLC控制柜與低壓啟動柜之間采用CAN總線通訊完成數(shù)據(jù)、指令的傳輸。低壓控制柜用于控制冷卻水泵、冷卻風(fēng)扇的啟動和停止。傳感器組包括檢測空壓機流量、壓力以及溫度的傳感器，安裝與每一臺空壓機機身的合適位置，PLC控制柜周期性的采集傳感器數(shù)據(jù)并經(jīng)A/D、濾波等轉(zhuǎn)換后直接用于邏輯控制。

圖1 煤礦井上空壓機自動集中控制系統(tǒng)工作原理

PLC控制柜以變頻模式對空壓機進(jìn)行控制，空壓機以變頻模式啟動后，PLC控制柜實時采集壓力傳感器數(shù)據(jù)，與設(shè)定的壓力傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，采用模糊PID控制算法控制反饋值逼近設(shè)定值，使得空壓機達(dá)到最佳運行狀態(tài)，變頻驅(qū)動控制策略如圖2所示，根據(jù)壓力傳感器反饋值形成模糊PID閉環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時，PLC控制柜可直接切換至工頻控制模式完成對空壓機的控制，保證空壓機連續(xù)運行。

圖2 空壓機變頻驅(qū)動控制工作原理

2 方案實現(xiàn)

2.1 硬件選型

煤礦空壓機自動集中控制系統(tǒng)用到的核心硬件主要包括PLC控制器、變頻器、傳感器等。PLC控制器選用西門子PLC-300系列控制器及其擴展模塊，具備TCP/IP、CAN總線通訊功能，并滿足空壓機集中控制系統(tǒng)需要的數(shù)字量、模擬量輸入輸出點。變頻器選用ABB公司的SCS800支持三電平、四象限運行的變頻器，采用雙處理器、雙存儲器結(jié)構(gòu)，具有大存儲、高運算的特點，滿足系統(tǒng)空壓機控制要求[10]。溫度傳感器選用熱電偶型，供電電源為DC18-32V寬范圍供電，絕緣強度高、溫漂小、數(shù)據(jù)采集精度高。

2.2 集中控制

煤礦空壓機自動集中控制系統(tǒng)具備就地控制、遠(yuǎn)程控制兩種方式。就地控制時，上位機集中控制平臺只可完成空壓機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、顯示、故障報警功能；需手動完成空壓機、冷卻水泵、冷卻風(fēng)扇的啟停操作。該控制模式用于需對空壓機系統(tǒng)進(jìn)行例行檢修、故障處理情形。遠(yuǎn)程控制時，上位機除對空壓機系統(tǒng)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、監(jiān)視、顯示外，還可以遠(yuǎn)程完成空壓機變頻、工頻模式啟停，遠(yuǎn)程啟動/停止冷卻水泵、冷卻風(fēng)扇。空壓機啟動與冷卻水泵、冷卻風(fēng)扇之間存在閉鎖關(guān)系，必須保證空壓機冷卻系統(tǒng)運行正常，才可啟動空壓機。

2.3 集中監(jiān)視

煤礦空壓機自動集中監(jiān)視功能包括對空壓機本體、冷卻系統(tǒng)的實時監(jiān)視，如每一臺空壓機的運行狀態(tài)、設(shè)置參數(shù)、故障信息、傳感器數(shù)據(jù)以及累計運行時間等。在集中監(jiān)視平臺可實時展示冷卻水泵電機、冷卻風(fēng)電電機的運行狀態(tài)、故障信息等。另外，還可以通過視頻圖像信息查看空壓機、控制室以及周邊運行環(huán)境。在集中控制系統(tǒng)平臺還可以查看空壓機歷史運行數(shù)據(jù)，方便技術(shù)人員對空壓機系統(tǒng)進(jìn)行診斷、維修和檢查。

3 應(yīng)用分析

該空壓機自動集中控制系統(tǒng)在某煤礦進(jìn)行工業(yè)試驗，該煤礦的空壓機房有6臺變頻空壓機，型號為LU560W-8，額定功率為560 kW，額定電流為63.3 A，額定空氣壓力為0.8 MPa。空壓機房集中控制平臺周期性采集空壓機運行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，變頻模式運行時，空壓機卸載次數(shù)平均為1.6次/h；工頻模式運行時，空壓機卸載次數(shù)平均為4次/h。2021年3～6月以及2021年6～9月對空壓機系統(tǒng)的用電量進(jìn)行統(tǒng)計，前提為保持用氣設(shè)備不變，供氣距離一致，比較變頻、工頻運行模式的節(jié)電效果：工頻運行3個月內(nèi)系統(tǒng)用電量為608 771 kW·h；變頻運行的3個月內(nèi)系統(tǒng)用電量為423 271 kW·h，節(jié)點率達(dá)27%。空壓機實際使用中，其中1臺或者2臺空壓機變頻運行，多臺空壓機配合工頻運行，根據(jù)當(dāng)前實際用氣量對空壓機的運行數(shù)量、工頻/變頻運行模式進(jìn)行自動調(diào)整，實現(xiàn)實際供氣與實際用氣的動態(tài)平衡；減少空壓機卸載次數(shù)，降低了空壓機設(shè)備機械損耗，延長了使用壽命。

4 結(jié) 語

設(shè)計并實現(xiàn)的煤礦空壓機自動集中控制平臺達(dá)到了控制模式靈活、通訊方式多變、故障率低的目的。實際應(yīng)用結(jié)果表明，該集中控制系統(tǒng)使得空壓機的節(jié)電率達(dá)到27%，電磁閥動作次數(shù)降低了70%，達(dá)到了節(jié)能效果，同時實現(xiàn)了在線監(jiān)測、在線控制以及互聯(lián)互通的目的，實現(xiàn)了空壓機集中控制系統(tǒng)的智能化、信息化管理。