基于PLC 煤礦空壓機智能控制系統的設計

宮殿強

（山西大同大學機電工程學院，山西 大同 037003）

虎龍溝煤業公司地面空壓機站以往采用的人工就地控制系統落后，系統穩定性不高，供氣質量得不到保證，煤礦生產存在安全隱患，降低了設備使用壽命。因此，必須對空壓機站控制系統進行智能化改造[1-6]，實現空壓機的無人值守。

1 工程概況

虎龍溝煤業公司位于山西省懷仁縣，井田面積12.21 km2，可采儲量6 345.4 萬t，設計生產能力120 萬t/a。虎龍溝煤業地面空壓機站布設有4 臺MLG30/8-200G 煤礦用螺桿式空壓機，4 臺空壓機通過主管路連接，正常生產時3 臺工作1 臺備用；當空壓機運行時出現故障后，則立即啟用備用壓縮機，停止故障壓縮機工作，及時進行維修處理。

虎龍溝煤業公司空壓機主要采用人工就地控制方式，值守工作人員在空壓機站值班時間內需要對空壓機的啟停、冷卻水系統的運行關閉進行人工操作。空壓機人工就地控制方式存在以下問題：1）人工操作無法保障空壓機能提供相對穩定的供氣條件，供氣質量得不到保證；2）空壓機站為溫度高、噪音大的惡劣環境，影響到工人的身體健康，影響其正常作業，煤礦生產存在安全隱患；3）人工就地控制方式不利于設備的維護和管理，影響設備的使用壽命。針對空壓機站人工就地控制方式存在的問題，針對性設計了一種基于PLC 的空壓機智能控制系統，為保障煤礦壓風供應及安全生產提供基礎。

2 基于PLC 的空壓機智能控制系統設計

2.1 控制系統設計分析

基于PLC 的空壓機智能控制系統設計如圖1，主要包括主站工控機、PLC 控制柜、從站PLC 控制柜、壓力溫度開停三類傳感器、電磁閥及報警器、壓風機數據采集模塊等組成。

圖1 基于PLC 的空壓機智能控制系統示意圖

系統采用PLC 及控制網絡對空壓機壓風機數據、傳感器數據、電磁閥及報警器等數據參數進行智能控制和監控。主站PLC 與4 個從站PLC 之間采用RS-485 總線通信方式。主站PLC 控制柜主要是對空壓機壓力、溫度、運行時間、電機電壓、電機電流、輸出功率等參數進行實時監控。從站PLC控制柜對受控空壓機參數進行實時監控，對空壓機實現就地控制，對故障及維修狀態空壓機實現單獨控制，對空壓機進行故障預警，完成與主站PLC 的通信。

2.2 系統功能分析

該空壓機智能控制系統采用集散式控制方式，由1 臺主站PLC 控制器和4 臺從站PLC 控制器共同完成空壓機站的監控和智能控制，其主要功能如下：

1）可對空壓機實施遠程智能自動一鍵啟停操作。煤礦在不同的生產階段和生產條件下對壓風量的需求不同，主要是通過控制空壓機工作臺數來進行壓風量調節。當煤礦需要的壓風量逐漸減少時，系統可監測到管道壓力參數的變化，管道壓力參數到過閾值后系統遠程實施智能一鍵停止空壓機工作；同理，當煤礦需要的壓風量逐漸增加時，系統可監測到管道壓力參數的變化，管道壓力參數到過閾值后系統遠程實施智能一鍵開啟空壓機工作。

2）可實現對空壓機站內不同空壓機工作時間及狀態的合理分配。該煤礦空壓機站采用3 用1 備工作模式，在正常工作時系統可對備用空壓機實施智能輪流工作，保障備用空壓機在特殊狀況下需要工作時無故障發生，如存在故障可在輪流工作時及時發現并進行維修，消除安全隱患。

3）對空壓機工作狀態進行在線實時監測。主從PLC 控制器可對各設備信號及時采集和處理分析，如發現運行空壓機存在故障，系統會及時進行預警，在停止故障空壓機工作的同時開啟備用空壓機，保障煤礦壓風量的需求。

3 智能控制系統硬件及控制程序設計分析

3.1 系統硬件

空壓機智能控制系統主控制單元硬件如圖2。主站PLC 采用西門子PLCS7-300 系列可編程控制器。該PLC 控制器各種性能的模塊可以非常好地滿足和適應煤礦空壓機站自動化控制任務，簡單實用的分布式結構和多界面網絡能力，應用十分靈活，集成輸入量28 個、輸出量18 個。

圖2 空壓機智能控制系統主控制單元硬件示意圖

從站PLC 控制器采用西門子S7-200CPU224 可編程控制器。該PLC 控制器含有RS-485 串口，數字量輸入點14 個、輸出點10 個。S7-200CPU224 小型PLC 控制模塊結構緊湊，成本低廉，功能強大，可較好地適應煤礦空壓機站復雜工況自動化控制系統。

3.2 控制程序設計

空壓機站PLC 智能控制系統采用結構化程序設計，根據對應功能事件編寫對應子程序，程序具有可讀性和易維護性、可調性和可擴充性。空壓機站PLC 智能控制系統主程序框架圖如圖3，該系統上電自啟動程序→系統初始化及參數設置→主程序，對空壓機運行數據進行采集及處理，如分析到采集數據無超限情況發生，判斷壓風系統正常，可按正常情況對空壓機進行啟停控制；如分析到采集數據超限，則判斷壓風系統出現異常，進而進入到報警中斷程序→故障處理程序，視故障處理結果進入到正常運轉或緊急停機。

圖3 空壓機站PLC 智能控制系統主程序框架圖

智能控制系統故障檢測程序流程如圖4。當程序檢測到空壓機運行中發生故障，智能控制系統可自動對故障機組發出停機指令并啟動備用空壓機組。已停機的故障機組設備受分站PLC 控制器單獨控制，讓其處于檢修狀態下，不受智能控制系統監控，等待故障消除后重新連接到智能控制系統中來。

圖4 智能控制系統故障檢測程序流程圖

4 應用效果分析

4.1 效果分析

2021 年12 月，虎龍溝煤業地面空壓機站4 臺MLG30/8-200G 煤礦用螺桿式空壓機的控制系統進行了基于PLC 煤礦空壓機智能控制系統的安裝改造，調試后投入到了實踐應用當中。當前該PLC 煤礦空壓機智能控制系統已運行有一年之久，空壓機站及智能控制系統整體運行穩定，智能控制系統能實現對壓風機數據、傳感器數據的在線智能監控，能實現空壓機故障的智能檢測及預警等功能，能智能分配空壓機工作時間等功能，無一起因控制系統問題導致的空壓機安全事故發生。

智能控制系統的應用效果理想，具有以下優點：1）智能控制系統的應用取代了以往的人工就地控制方式，實現了壓風機站的無人值守，減輕了工人崗位；2）對空壓機故障進行智能檢測及預警，自動化程度高，有效提高了設備故障的檢修效率；3）智能分配空壓機工作時間后，有效降低了空壓機的磨損，提高了設備的使用壽命。智能控制系統在虎龍溝煤業地面空壓機站的應用具有較好的減員增效和減少能耗效果。

4.2 效益分析

1）節約了人工費用。智能控制系統應用后，壓風機組實現無人值守，壓風機站不再設置固定監測、操作等崗位，每班共可減少工作人員4 名，按每人8000 元/月計算，每年可節約人工費用38.4萬元/年。

2）節約了電費。智能分配空壓機工作時間后，可實現壓風機的智能化運行，大幅度避免了以往的無效空轉電耗，可實現節電率達9.9%，經計算每年可節約電耗約171 MW，每年可節約電費約9.9 萬元。

3）可節約設備維修和采購費用。對比以往，空壓機及相關設備維修費用每年可節約2 萬元，空壓機的使用壽命延長后，設備及零部件平均每年可節約費用5 萬元。

虎龍溝煤業空壓機站采用基于PLC 空壓機智能控制系統改造后，具有較好的安全性和可靠性，可實現無人值守，每年可節約費用約55.3 萬元。

5 結語

針對虎龍溝煤業空壓機站采用的人工就地控制存在的問題，設計一種基于PLC 空壓機智能控制系統。對該控制系統的設計和功能進行了分析，對硬件及控制程序設計進行了闡述。該系統實踐效果理想，可實現空壓機站的無人值守，無安全事故發生，每年節約費用約55.3 萬元。