空压机自动控制系统及补压补风装置的研究与应用

赵德超

摘 要：目前，大平煤矿空压机就地操作存在一些问题，风压不足，因此有必要改进空压机自动控制系统和自动补压补风装置。优化空压机自动控制系统和自动补压补风装置设计及其功能，有助于解决问题，实现各种参数的实时在线监测、自动补压补风以及远程集中控制等功能。研究结果表明，系统运行稳定可靠，提高了自动化水平，达到无人值守的目的。

关键词：空压机;自动控制系统;补压补风;在线监测;集中控制

中图分类号：TH45文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）12-0084-03

Research and Application of Air Compressor Automatic Control

System and Compensation Air Compensation Device

ZHAO Dechao

（Daping Coal Mine of Zhengzhou Coal Industry （Group） Co.， Ltd.，Dengfeng Henan 452473）

Abstract： At present， there are some problems in the on-site operation of air compressors in Daping Coal Mine， and the air pressure is insufficient. Therefore， it is necessary to improve the automatic control system of the air compressor and the automatic pressure compensation device. Optimizing the design and function of the automatic control system of the air compressor and the automatic pressure compensation device will help solve the problem and realize the functions of real-time online monitoring of various parameters， automatic pressure compensation and remote centralized control. The research results show that the system runs stably and reliably， improves the level of automation， and achieves the goal of unattended operation.

Keywords： air compressor;automatic control system;pressure compensation;online monitoring;centralized controll

空氣压缩机（简称空压机）是矿山所采用的原动力之一，它的任务就是安全、经济、可靠地产生足够数量和压力的空气，然后用管道把压缩空气送入井下，沿大巷，上、下山到采掘工作面，带动风动工具工作。空压机的控制方式是现场单台启停操作，这样不仅消耗大量的人力和物力，而且不能保证自身的供风能力、供风时间和供风质量，缺少对主要技术参数的实时监控和安全保护。这样就不利于对空压机的维护管理，同时加大了操作维护人员的工作量，对空压机的使用寿命也有很大的影响[1]。因此，要保证空压机监控系统的可靠性、安全性，提高空压机的效率和安全运转水平。目前主要应用先进的技术将多台设备并网运行，实现空压机参数的实时在线监测和远程集中控制功能，以保证各种保护有效可靠，减少工作量，提高生产效率，改善工人工作环境，延长使用寿命，做好空压机维护，达到无人值守的目的[2]。

1 概述

大平煤矿地面压风系统配备4台螺杆式空压机，电动机功率为355 kW，2台额定风压为0.8 MPa，另外2台额定风压为1.25 MPa，运行时压力设定值为0.5～0.6 MPa。

空压机采用现场单台启停操作的控制方式，人工定时巡查设备并记录数据。冷却循环水进出阀门、水泵阀门为老式闸阀，操作费时费力，而且使用寿命短，未实现上位机控制、远程监控和无人值守控制。但是，供风不稳定，随着矿井向纵深开采，供风距离延长，运行1台空压机时，低压风量不能满足现状，高压风常处于卸载状态，高、低压风量失衡。由于空压机结构复杂，运行效率低，因此空载运行浪费电能，设备磨损大，运行成本较高。空压机频繁启停，导致使用寿命缩短，增加维护成本和工作量。《煤矿安全规程》对空压机的运转有明确的规定，人们需要对其进行自动化改造，实现空压机自动控制系统及补压补风装置各种参数的实时在线监测、自动补压补风以及远程集中控制，降低事故发生率，达到管控一体化目的[3-4]。

2 技术方案的确定及实施

2.1 空压机自动控制系统方案的确定

该系统确定采用西门子S7-300作为监控的中央处理器（CPU），采用研华工控机作为监控上位机。通信采用工业以太网及现场总线技术，配以专用软件，控制各种参数、位置及开关量的采集和远程监控，从而实现空压机房的无人值守功能。

2.2 空压机自动补压补风装置方案的确定

针对高、低压风量失衡的现状，将平地两趟高压风管路和两趟低压风管路通过电动阀门并联，在低压风管内安装压力变送器，将模拟信号转换成开关信号，通过继电器控制电动阀门的开和关来实现风量的补偿，从而减少空压机的运行台数，降低井下供风系统的用电量。

3 空压机自动控制系统

空压机自动控制系统硬件主要包括可编程逻辑控制器（PLC）控制柜、研华27寸工控上位机、就地操作箱、电动闸阀、压力传感器、温度传感器及高清摄像头等设备。

3.1 PLC控制柜

PLC控制柜采用西门子S7-300作为监控CPU，用于集中控制空压机的加载、启动、卸载、停止、一键倒机及故障停机等功能，实现对空压机各运行参数的在线监测，实现水泵、闸阀、球阀和风扇等设备的启动、停止等控制功能，并实现对上述设备运行状态信息的采集。PLC控制柜内安装有交换机，能通过环网实现数据共享。上位机操作台安装有小型交换机，共有6个网口、2个电口。现场数据可通过该交换机进入环网实现数据共享。空压机数据和高压柜数据通过Modbus模块进入PLC CPU处理器。

3.2 就地操作箱

就地操作箱安装在泵房中，可以实现对水泵、闸阀等设备的现场操作，如水泵的启停、闸阀的开关等操作。就地操作箱上安装有指示灯，可以显示各设备状态，如水泵的运行、停止和故障以及闸阀的开关到位等。

3.3 电动闸阀、压力传感器

空压机自动控制系统采用常州兰陵Z941H-16 DN80型矿用电动闸阀，总计3台。电动闸阀额定电压为380 V，额定电流为2.6 A，功率为0.75 kW;电动闸阀可实现手动操作、闸阀现场电动操作、闸阀远程电动操作，从而保障闸阀的动作，避免对现场产生不必要的影响。

压力传感器采用GPD6型压差变送器。其中，负压传感器有3个，工作电压为24 V，测量范围为-100～400 kPa，输出信号为4～20 mA;压力变送器有1个，工作电压为24 V，测量范围为0～2.5 MPa，输出信号为4～20 mA。

3.4 控制系统软件

系统采用研华工控上位机作为监控上位机，采用专业软件MCGS，通过上位机人机界面实现对平地工业广场空压机系统的在线监测及操作。系统上位机界面主要包括三部分，一是主画面，二是系统集中控制和单机控制画面，三是空压机监测、报表、趋势曲线及报警设置画面。操作员可在监控中心对4台空压机进行单机手动控制和联机自动控制。

3.5 补压补风装置的设计

大平煤矿井下高、低压风由两趟不同管路向井下供应，补压补风装置将不同风压的供风管路连接起来，用压力传感器检测相应的风压，利用电动阀门的闭合、断开来实现风量的补偿。

3.5.1 自动控制。将转换开关扭转到自动状态，压力传感器检测到低压管路风压设定的下限值时，J2继电器得电，常开点闭合，阀位显示器检测的信号是关到位，J3继电器的常闭点处于闭合状态，FC继电器得电，控制电动阀门的电动机反转，电动阀门自动打开。当阀位传感器检测到开到位时，J3继电器得电，其常闭点断开，FC继电器断电，此时，高压风向低压风管路内补偿风量。同理，当检测到低压管路风压高于设定的上限值时，J1继电器得电，最终实现电动阀门关闭，停止高压风对低压风的补偿[5]。电气控制原理如图1所示。

3.5.2 手动控制。当发现低压风系统风压较低时，将转换开关调整到手动状态，按下SB2按钮，待电动阀门开到位，松开按钮即可[6]。

3.6 主要功能

一是可实现就地手动操作、上位机+触摸屏监控和多台空压机及相关冷却和管路系统阀门的自动联动控制，按程序执行启动/停止空压机操作，实现全自动化运行，无人值守[7]。二是正常供风时开动1台空压机，当风压低于0.5 MPa时，自动加载，若压力低于0.45 MPa，则高压风自动向低压管路进行补压、补风;当风压达到0.55 MPa时，系统自动停止补压、补风，它可以按现场需要自动启停空压机[8]。三是实现空压机及冷却水泵自动轮换功能。四是完成各种参数连续在线监测功能，并提供空压机控制信号和风机与风网的正常匹配。五是具有完备的保护及报警显示功能，发生安全保护动作时能切换到报警窗口。六是上位机可实时显示压风机风量故障曲线和历史曲线。七是具备生成各种报表和事件打印功能。

4 关键技术

一是实现空压机运行参数实时在线监测功能。二是提高了系统自动化程度和运行可靠性，始终使空压机运转达到最优状态。三是自行设计高、低压风管路补压补风装置并安装，与空压机自动控制对接，满足矿井的供风需求。

5 应用效果及效益分析

5.1 应用效果

空压机自动控制系统及补压补风装置的应用实现了从专人值守到自动运作的转变，减少了岗位用工，降低了职工的劳动强度，同时提高了矿井安全生产水平和管理效率，为节支降耗、開源节流开辟了新的途径，使用效果良好。

5.2 效益分析

5.2.1 经济效益。空压机使用自动控制系统及补压补风装置，有效提高了空压机机组各部件的使用效率及使用寿命。自动化监控装置能直观全面地掌握设备运行状况，未使用补压补风装置前，井下用风高峰期，每天需要另外开1台空压机来补充风量2 h左右，使用补压补风装置后，不需要另外开空压机来补充风量。空压机电动机功率为355 kW，每天减少运行时间2 h，电费平均按0.75元/（kW·h）单价折合，通过计算，每月可节约电费（355×2×30）×0.75=15 975元。由于简化了操作，实现了自动控制，有效地减少了设备维护费用和人工费用，每月可节约维修费用12 000元、人工费用11 400元（减少岗位工3人，每人平均月工资3 800元），全年可节约费用（15 975+12 000+11 400）×12=472 500元。

5.2.2 社会效益。从空压机自动控制系统及补压补风装置投入情况来看，该系统和补压补风装置运行可靠，满足了井下用风量的需求，保证了矿井安全生产。其维护方便，监控过程直观明了，不但减少了设备维护量，降低了劳动强度，而且减小了空载运行时问，降低了工序能耗，实现了节能降耗的目的。

6 结语

空压机自动控制系统及补压补风装置实现了各种参数的实时在线监测、自动补压补风以及远程集中控制等功能，出现故障停机后，可实现自动倒机运行功能，最大限度地保证了动力用风的安全和不间断供应。系统维护方便，运行稳定可靠，降低了空压机耗电量和机械磨损，提高了经济效益，减少了岗位用工，改善了工人工作环境，降低了事故发生率，延长了空压机使用寿命，达到无人值守的目的。

参考文献：

[1]张喜萍.煤矿压风机自动控制系统的应用研究[J].中州煤炭，2016（12）：96-99.

[2]王勇.基于远程监控的压风机自动运行系统研究[J].中州煤炭，2016（12）：87-90.

[3]国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程[M].北京：煤炭工业出版社，2016：16-17.

[4]槐利，谭一川，程玉龙.基于PLC的煤矿压风机自动控制系统[J].工矿自动化，2012（4）：13-16.

[5]永辉，范廷瓒.煤矿电工手册[M].北京：煤炭工业出版社，1999：40-41.

[6]大平矿中、低压空压机风量补偿装置的研究与应用[J].科技风，2012（18）：89.

[7]杨秋鸽，沈占彬.空压机群组监控系统的设计[J].工矿自动化，2010（9）：85-87.

[8]陈定永，宋炳雷，李尊龙.压风机恒压供风系统设计[J].工矿自动化，2012（10）：98-100.