矿井空压机集中式控制系统设计与应用研究

2021-04-08王铨

机械管理开发 2021年2期

王铨

（山西大同永定庄煤业公司，山西大同 037024）

引言

空气压缩机是保障煤炭开采效率的动力性设备，也是确保安全生产的保障性设备。目前，常用的空压机控制方式有开关阀控制空气压力、电机起停控制压力以及电机变频控制压力三种[1]。大部分矿井使用的压缩机控制方法还是手动操作控制或者是独立式控制，不仅无法实现对压缩机的集中控制。因此需要破除各个控制系统的屏障，实现集中式控制的目的[1-2]。

1 MLC-27.7-12.5-220P 型矿井空压机简介

MLC-27.7-12.5-220P 型空压机是目前煤矿常用的主力空压机型号，其整体结构能适应矿井恶劣的环境。在矿井中使用具备振动小、噪音小、可维护性高等优点符合矿井内机械设备使用的安全性。通过阴、阳转子之间的相互拟合在润滑油的机理作用下实现了精密契合[3]，防止了液、气体的泄漏，在提高效率方面有积极作用。

MLC-27.7-12.5-220P 型空压机通常分为单模杆型和双螺杆型[4]。以最常用的双螺杆型为研究对象，通过双螺杆之间的相互作用实现了动平衡，在后期日常维护方面具有较大的便捷性。双螺杆型整体结构示意图，如图1 所示。

2 空压机控制系统简介

大多数煤矿常采用5 台空压机，用并联的方式进行控制连接。目前大多数系统以三菱FX-2n 和施耐德PLC 作为核心驱动部件[5]，实现空压机的启动、停止、保护、分析等核心功能。通常不同位置的封压机采用不同型号的PLC 进行控制，并且通过预留接口的方式实现变频器的接入。通过以水冷系统为例进行分析，如图2 所示。

图1 双螺杆型空压机整体结构示意图

图2 矿井水冷系统示意图

图2 中 1 号、2 号、3 号压缩机采用的是施耐德PLC 进行控制，而4 号和5 号压缩机是在用三菱PLC 进行控制。施耐德PLC 和数据接口更多，更容易实现后期的扩展。三菱PLC 主要是实现对外部电路的控制，执行上位机的电流信号，使得压缩机在排气过程中压力保持正常。

3 集中式控制系统的方案设计

MLC-27.7-12.5-220P 型空压机现有的控制系统为单个独立控制，分别由每台PLC 进行一对一的系统控制[6]，并且只提供手动的操作方式，发生操作失误率的概率较高。同时，每个空压机并非同一时间启动工作，均会留1～2 个空调机作为备用状态。当工作的空压机供气压力不足时，将通过手动的方式启动其余停止的空压机。

因此，为了实现集中控制，应首先建立起空压机与核心PLC 的通讯网络，能够远程的操控空压机。在布置硬件后应对上位机软件进行编写，能够实时显示各个位置空压机反馈回来的数据信息，包括回水、电机、气的温度和压力。在设计新控制系统时，应同时保留远程控制和手动操作的两种方式，使得整体系统能够灵活便捷。整体集中控制系统设计示意图，如图3 所示。

图3 新型集中控制系统设计示意图

4 集中式控制系统硬件选型与软件设计

4.1 硬件选型

通过对新型集中控制系统的整体结构设计，将进一步确定系统的硬件选型以及软件的应用。通常将PLC 看做一个功率较大的继电器，缺乏输出命令的功能，因此应该选用可以输出命令的可编程控制器。以西门子S7-300 型的控制器取代原有每个独立控制的PLC 型号，实现上位机的集中化控制。

新型集中式控制系统应实现数据的互联互通，并且增加了温度传感模块。其中西门子S7-300 型的控制器的选型为CPU315-2PN/DP，该型号的CPU 采用了DP 通信接口，并且应用了先进的MPI 支持协议，各种数据通过工业以太网进行传输，减小了有线输出，避免了网络接口容易故障的问题。

数据I/O 接口模块的输入电压设定为24 V，同时配备DC/AC 两种同步输入模式。其中DC 采用的是16 点输入，AC 采用8 点输入，可以在输出过程中将数据分成若干组分。除了数字量的转换外，模拟量的输入采用8AI×l6 位模块。AI 模块的型号为SM331，一共有4 档的响应时间分别为2.5 ms、16.5 ms、21 ms 和l10 ms。模拟量输出模块将与电流变送器进行连接，整体连接示意图如图4 所示。

4.2 软件设计

由于选用的是西门子S7-300 型控制器，在软件方面应根据适配原则选取Step7 的西门子编程软件。由于硬件和软件之间的适配性不需要增加modem 支持，同时对网络系统进行构建，实现数据的传输。选用PROFIBUS 型号的数据通讯的总线技术，根据该型号的协议结构，数据连接器将直接通过网络发送至DP 层。

图4 SM331 与电流变送器连接示意图

在软件物理层设置4 个变频器地址，并将总线分站的总数设置为11。通过对各个分站的通讯网络进行设置，将集中控制系统的通讯模块布置到每个变频信号发出点，如图5 所示。

图5 控制分站通讯模块地址分配示意图

5 集中式控制系统的功能实现

如图6 所示，利用WinCC 编写的集中式控制系统上位机监控画面，主画面中显示5 台压风机运行状态，运行参数，包括电流、频率、各种故障保护、风包温度、水泵运行状态等。同时每台压风机都有一个独立按钮，当需要控制1 台压风机时，按下按钮，就会弹出每台压风机的控制界面，同时水泵界面也是独立弹出控制界面，完成水泵的启动停止。

通过软、硬件的设计，对分站的运行状况进行监控，如下页图7 所示。四号压风机的控制界面，界面中由启动、停止、加载按钮，启动、停止状态显示、电机电流、电机温度、机头温度、变频器中IGBT 温度、排气压力、各类温度显示等。同时把各类数据信息以曲线的方式显示在界面中，一旦压风机出现故障，可以随时查询数据曲线，分析故障原因。远程启动、停止时，使用鼠标点击相应按钮，就可完成相应操作，同时观察压风机运行参数，启动正常后，点击加载按钮实现压风机带载工作。