井下空压机智能远程集中地表控制系统的研究与应用

王多彦，张 俊

（云南驰宏锌锗股份有限公司会泽矿业分公司，云南 曲靖 655000）

关键字：空压机；上位机远程监控；PLC控制系统；远程监控上位机

在会泽矿业分公司的矿山井下生产中，使用的空压机控制回路为继电器控制，控制方式采用就地人工手动启、停操作，运行一段时间需进行检查，记录空压机的运行情况。此外，空压机组会消耗大量电能，在轻载下和空载情况下运行，空压机组磨损严重、电能消耗增多、增加了设备使用成本。所以，全自动地表远程监控系统出现延长了空压机组使用寿命。

1 系统概述

空压机组远程集中监控系统是集能源生产、消耗过程监控、能源管理为一体的自动化信息管理系统，保障能源介质“安全、稳定、经济”运行，对生产能源消耗实时汇总分析，节约企业能源消耗，提高企业生产效益。

图1为空压机组远程集中控制系统的构成图，该系统主要由检测传感器、上位工控机系统、触摸屏、空压机监控分站控制柜等部分组成。空压机组的各参数设置、监测数据的查询、数据处理等功能需要在计算机辅助下由上位工控机系统进行操作完成。在西门子PLC编程软件支持下空压机组远程集中监控系统实现了对信号、温度、电流的监控，同时具备预警和控制功能。

本系统上位机远程监控构建于当前先进成熟的Microsoft.NET XML/Web Services和Microsoft Windows Server技术之上，能源集中监控SCADA软件平台，采用西门子WINCC系统软件架构模式，应用S7-300PLC完成对现有的所有空压机采集处理电机电流、温度、压力信号，并上传至中央控制室远程计算机，最终实现将多台运行的空压机集中监控、在线监测、数据采集、能源管理、报警显示、报警记录、数据存储等功能。

因此本远程监控系统也同样可以拓展到井下所有的空压机分站，充分发挥出各台空压机的性能，实现最大限度的节能运行，保证各种保护有效可靠，延长空压机的使用寿命，有利于提高企业生产效益。

2 监控系统结构与组成

（1）监控对象。各空压机分站的低压控制柜的断路器开、合闸状态及其它电力状态；每一台供气管道压力的变化情况；螺杆式空压机启动、停止以及机组的运行状态。

（2）硬件及网络配置。在ModbusRTU协议下，智能控制器、变频器、软启动器同时接入RS-485接口，有利于空压机组正常运行。各个硬件配置通过串口网络进行通讯，为空压机组的监控提供了必备的条件。PLC控制和触摸屏构成了现场控制分站，不同分压机组可由空压机房集中控制、就地控制柜、中央控制室远程监控，在设备出现故障不能正常运行时可调成手动模式，使操作更加方便。

（3）本系统可分四部分构成。①上位机系统。用于完成现场数据的采集和存储、工艺流程画面显示、生产过程监控、数据管理、数据库接口和查询、生产报表的生成。上位机系统主要由计算机及组态软件构成。②PLC控制系统。控制系统选用基于西门子S7-300的PLC控制系统及其I/O，用于对现场传感器、变送器、电力参数信号的采集、运算以及生产过程的自动化控制。系统同时具有极好的扩展性，方便将来对系统进行扩容。③通讯系统。上位计算机对现场所有信号进行管理和控制，PLC及空压机设备的通讯采用标准化的MOUDBUS协议。电力参数通过R485总线通讯方式传输，其他参数通过4mA～20mA信号传输。现场仪表则包括：压力、差压、温度、流量、电流等。④数据安全。空压机组为生产配套关键设备，是生产的保障性资源，空压机本身带有就地控制功能，由于机组数据通过网络交换数据，系统设计有安全网关，当网络数据异常时自动切断与远程计算机的通讯并给出相应报警提示，同时确保机组可就地正常启动。

图1 空压机组远程集中控制系统的构成图

3 软件设计及其功能

（1）自动轮换运行。控制系统依照总线所收集到的信号信息，给出一个综合评估结果，发出控制命令。对空压机组的运行状态进行自动监测，将总管压力控制在压力上限和压力下限之间。

（2）空压机组在持续工作多个小时后，机身温度升高，关停机器有利于其散发出热量，避免空压机组受到损伤。所以，为了增加空压机组的使用寿命，需要进行设备轮换使用。PLC控制系统可以对空压机的运行及停机进行排序。

（3）延时启动和延时停机。PLC控制系统本身拥有一定的抗干扰能力，但在不同外界因素影响下，在总管压力的作用下，空压机的压力值接近限制值，系统会对机器发出的指令进行延时处理，避免操作失误。

（4）智能保护。空压机运行智能保护功能可以根据用情况作出判断，矿山井下用风高频繁时段，可控制空压机的启动次数。当两次启动时间间隔小于预先设定的值时，将保持空压机持续运转而不停机，当连续两次加载间隔时间较长时，可认为用风高峰期已过，空压机投入间断运行状态。

4 组态软件结构

（1）组态软件设计功能。控制系统上位机的组态软件符合空压机组测控要求，真实的模拟了压机站的工艺流程，工作人员可以在中央控制室内的屏幕上掌握空压机站的所有状态，包括故障报警。有操作权限的工作人员可以对压缩机进行控制操作。

（2）远程集中监控上位机设计功能。远程监控上位机主要集中监控空压机的工艺流程、测量值、设备运行、操作模式、报警记录、系统调试等。操作者可在中央控制室通过操作屏操作设备的启动和停止、设定设备的运行参数，观察设备的运行状态。能实现监控系统自动/半自动/手动操作模式间的无扰切换；操作员可实时观察空压机的运行状态、送风口的出风温度和风压。所有检测的温度、压力等数据，通过曲线或表格形式显示。并对各类报表的生成及能源计量管理报表生成，将系统采集、存储的数据，通过MS SQL Server数据库，实现将实时采集到的能源数据按指定存储方式不间断地采集存储，完成实时及离线的生产数据、设备故障、报警信息、操作记录等数据进行采集、归档存储。

5 系统特点

该系统运行稳定，安全可靠，提高了空压机组的运行效率，实现了监控和管理的自动化。该系统不仅可以应用于矿井的空压机组监控，而且可以推广到其他场合。

（1）自动化程度高。可实现全自动运行，达到无人值守的目的。

（2）操作方式灵活。系统具备单步操作、半自动一键启停及全自动联动运行三种运行方式,并具备现场手动操作，现场触摸屏集中监控及中央控制室远程监控三种控制方式。