煤矿压风系统在线监控平台的设计与实现

李开来

(山西西山煤电股份有限公司东曲矿，山西古交030200)

0 引言

煤矿压风系统主要由空气压缩机、风包、冷却水系统、压缩空气管网、高低压控制系统等组成，其中空气压缩机是主要的做功单元，可将电能转化为空气压力能，从而为以压缩空气为动力来源的喷浆机、凿岩机等井下设备提供动力。同时，随着井下安全生产需求的提高，风动钻机的使用可大幅降低由电钻电气故障导致的瓦斯和煤尘爆炸事故的发生率，同时风动扳手等工具的使用也可有效降低井下工人的劳动强度，提高生产效率。尤其近年来，广泛用于井下人员安全自救的“压风自救系统”的使用，使得压缩空气的应用环境更为广泛，因此压风系统的运行稳定性要求越来越高[1-3]。

由于压风系统各设备需连续、高负荷运转，因此其故障率相对较高，故障排除的及时性要求也较高，其运行状态对井下正常采掘作业具有举足轻重的影响，因此及时、全面地掌握风压系统运行工况及各特征参数的动态变化特性，对提高压风系统运行效率和工作稳定性具有重要的现实意义。

1 压风机组在线监控需求分析

1.1 机组现状

东曲矿风机房共配置3台TM1500三星离心式空气压缩机，排气量200 m3/min，排气压力0.8 MPa，电机功率≤1360 kW，正常工况使用一台工作，遇紧急或高峰状况，两台全开，其余一台常备。冷却方式为水冷，循环水泵为3台，一用两备。机组采用三星电子公司N700PLUS系列PLC进行控制。由于购进时间较长，因此目前仅具有井下风压的自动调节功能，仍需在现场进行启、停操作，且各设备独立运行，无法实现数据共享和远程监控等。一方面，为保证机组工作性能稳定，需派专人进行巡检，且在开机工况下检测手段受限；另一方面，无法对机组各设备的运行数据进行有效分析，从而对设备的使用寿命和耗能评估造成影响[4-6]。因此，迫切需要通过增设传感器、更新电控软硬件设施等方式，来实现对空压机、冷却泵、开关柜等压风机组设备特性的在线监控。

1.2 改造目标

针对当前压风机组现状，此次改造的技术目标如图1，主要包括四点：

图1 压风机组改造的技术目标

第一，对于3台空气压缩机，建立远程后台监控平台，能够准确的故障跳闸，具有实时曲线、生成报表、历史记录、故障录播等功能；

第二，对于3台冷却泵，通过远程后台监控系统，能够实现各水泵无间隙切换，同时可以监测水泵运行的温度、电流、压力等数据。

第三，对于电气开关柜，通过更新高低压开关柜设备，完善开关柜的保护功能，增加遥测、遥信、遥控功能；

第四，优化空压机、冷却泵循环工作时间，延长各设备使用寿命。

在实现以上技术目标同时，还希望通过该系统提高压风机组的整体工作稳定性，降低故障发生率，缩短故障时间，降低人员和设备运营成本。

2 压风系统在线监控平台的结构设计

压风系统在线监控平台的总体结构如图1，采用分层结构，包括管理监控层、PLC控制层和现场设备层三部分：

1)管理监控层，主要利用原有监控室的PC端等设备，通过网络与PLC控制层连接，可实现对空压机、冷却泵运行参数的远程监控、以及对以上设备的循环优化控制等功能；

图2 压风系统在线监控平台的总体结构

2)PLC控制层，其中的PLC芯片是整个系统的核心，一方面负责监测和控制来自现场传感器的开采或模拟信号；另一方面，负责将处理后的数据发送至上机位和执行器，保证上机位对现场数据的掌控，以及执行器按预设命令准确动作；

3)现场设备层，通过增设温度传感器、压力传感器、电流互感器、接近开关等元件，可对空压机、水泵等设备的运行参数进行实时采集。

3 监控系统硬件设置

3.1 现场设备层

监控系统的基础硬件主要包括现场传感器、动作执行器、信号传输线路等。其中，现场传感器和动作执行器需根据实际设备配置状况，通过局部改造，增加监控功能，具体如下：

1)空压系统

三星TM1500式空压机内置传感器齐全，仅需对其内置的通讯端口进行数据采集，然后将温度、压力、电压、电流等数据传输至数模转换模块，最终上传至PLC控制器及上机位。由此可实现对排气温度、气体压力、主电机功率等项目的监测；

在风包内增设气体温度、压力传感器、电磁球阀等，控制气体压力不超过6.5 MPa，温度不超过120℃；

2)冷却系统

与空压机相似，可直接对冷却泵内置的通讯端口进行数据采集，然后对电机功率、温度等进行监测。在此基础上，冷却系统改造主要是在冷却水管路上增加水压和水温传感器、电磁阀等，实现对上水压力、冷却水温度的监测，以及对管道通路的远程控制。另外，分别在热水池和冷水池配置液位传感器。

3)电气开关柜

通过更新开关柜内部分设备，增加输出接口电路，使其具备对高压开关柜和励磁柜内相关电参数的监测和输出功能。

3.2 PLC控制层

图3 PLC控制层硬件组成及功能

对应各部分新增传感器等设备，一方面，对原PLC控制柜进行改造，增加水冷系统等部分的数据采集和处理模块；另一方面，对控制芯片进行重新编程，拓展其监测范围和功能。其次，在柜体内增加以太网模块，保证PLC控制层与上机位的数据通信，从而为现场设备的远程监控提供基础。通过对PLC控制柜的改造，其主要结构和功能如图3，PLC芯片可对传感器的数字和模拟信号进行处理，并按照预定程序，向继电器发出动作信号，同时控制指示灯状态。另外，及时将各种数据和处理结果经由交换机传输至上机位。

4 上机位监控软件开发

设备运行自动化和无人值守机房是现代化工业生产的重要发展方向，而上机位监控软件是压风机组在线监控平台的重要组成部分，可实现对现场运行设备的远程集中监测与控制。上机位软件利用WINCC组态软件编程实现，其集成性、可编程性较好。通过调用专用模块，可方便实现所编制软件与PLC控制层的通信。上机位软件的主要功能包括：监控画面显示、运行参数控制、历史数据查询与汇总等，具体如下：

1)监控画面显示。监控画面主要显示3台空压机和冷却泵的运行状态，另外可显示管网压力、气体温度等重要参数。另外，监控画面可对设备故障进行报警，提示管理人员进行维护等操作。

2)运行状态控制。上机位软件具有对现场设备的远程控制能力，可进行空压机的启停操作，但为保证工作状态稳定，一般运行自动控制系统，仅在维修作业、调试等环节，对其进行手动控制。另外，在获得操作权限后，还可对设备工作时间、供气压力、冷却循环能力等参数进行远程设置。

3)历史数据查询与汇总。上机位软件可对PLC控制层上传的数据进行分类存储，并在需要的时候进行检索、查询和对比，并最终以图表形式呈现，方便集中管理。

5 结论

压风系统是煤矿生产保障的重要组成部分，本文针对矿压风机组无远程监控功能的现状，首先分析了其机组设备的功能和参数，然后确定了远程监控平台改造的目标和基本结构，在此基础上，分别提出了针对现场设备层和PLC控制层中相关硬件的改造方案，随后介绍了上机位监控软件的开发和功能设置等，本文研究内容对煤矿压风系统在线监控平台的设计与改造具有积极参考价值。