煤矿井上空压机自动集中控制系统研究*

2022-01-14周永杰

机械研究与应用 2021年6期

周永杰

(山西焦煤集团有限责任公司东曲煤矿机电科外维一队，山西古交 030200)

0 引言

空气压缩机(Air Compressor)简称空压机，是一种将电动机的机械能转换为气体压力能的装置，在煤矿行业的应用十分广泛。目前，大多数煤矿空压机人工手动操作，7×24 h值班，根据需求频繁对空压机进行启动、停止操作，该控制模式安全性差、稳定性不高、集成度低，无法满足对煤矿用气设备的基本需求。利用单片机、PLC、DSP等控制技术，对空气压缩机进行集中控制，是煤矿用空气压缩机控制系统亟需解决的问题[1-3]。国外煤矿企业如小松、JOY、DBT等将PLC控制技术应用于空压机控制系统的改造以及集中监控，经过多年的发展和不断完善，空压机集中控制系统较为先进和完善。国内空压机控制系统以及集中监控系统的起步较晚，在借鉴和吸收国外系统的基础上，在神东、同煤、永煤等企业已经有空压机实际应用案例，但是在空压机集中控制系统智能故障诊断、调度算法等方面存在一定的问题[4-7]。笔者以某煤矿空压机实际运行情况，设计集中控制系统，采用模糊PID变频控制策略，采用传感器技术实时监测空压机运行参数并完善通信模式，保证空压机运行的稳定性和连续性。

1 系统组成及工作原理

煤矿空压机自动集中控制系统的目是实现空压机参数在线监测、在线控制以及井上下互联互通，实现空压机集中控制系统的智能化、信息化以及网络化管理。煤矿空压机自动集中控制系统工作原理如图1所示，由控制系统、视频监控系统两部分组成。视频监控系统部分在空压机适当位置安装摄像仪，将空压机运行状态以及压力、温度、流量传感器视频数据上传至交换机、硬盘录像机后，在空压机集中控制平台的显示屏中集中显示，同时将视频数据保存于硬盘录像机中。控制系统部分由上位机、PLC控制柜、变频器-空压机组、低压启动柜以及传感器组组成。PLC控制柜是空压机集中控制系统的核心，负责周期性采集空压机设置参数、运行状态、故障信息、传感器数据以及水泵、风扇等信息并上传至上位机进行集中显示。PLC控制柜还可将上位机控制指令进行解析并完成对指定设备的控制，如在集中控制平台启动冷却水泵、冷却风扇，PLC控制柜接收到该命令并正确解析后，直接控制冷却水泵启停点得电并启动冷却水泵。空压机控制模式由变频器以“一对一”模式进行控制，可完成变频、工频控制[8-9]。PLC控制柜与上位机之间采用TCP/IP通讯将空压机所有数据上传至上位机集中控制平台、PLC控制柜与变频器以及PLC控制柜与低压启动柜之间采用CAN总线通讯完成数据、指令的传输。低压控制柜用于控制冷却水泵、冷却风扇的启动和停止。传感器组包括检测空压机流量、压力以及温度的传感器，安装与每一台空压机机身的合适位置，PLC控制柜周期性的采集传感器数据并经A/D、滤波等转换后直接用于逻辑控制。

图1 煤矿井上空压机自动集中控制系统工作原理

PLC控制柜以变频模式对空压机进行控制，空压机以变频模式启动后，PLC控制柜实时采集压力传感器数据，与设定的压力传感器数据进行比较，采用模糊PID控制算法控制反馈值逼近设定值，使得空压机达到最佳运行状态，变频驱动控制策略如图2所示，根据压力传感器反馈值形成模糊PID闭环控制系统。当变频器出现故障时，PLC控制柜可直接切换至工频控制模式完成对空压机的控制，保证空压机连续运行。

图2 空压机变频驱动控制工作原理

2 方案实现

2.1 硬件选型

煤矿空压机自动集中控制系统用到的核心硬件主要包括PLC控制器、变频器、传感器等。PLC控制器选用西门子PLC-300系列控制器及其扩展模块，具备TCP/IP、CAN总线通讯功能，并满足空压机集中控制系统需要的数字量、模拟量输入输出点。变频器选用ABB公司的SCS800支持三电平、四象限运行的变频器，采用双处理器、双存储器结构，具有大存储、高运算的特点，满足系统空压机控制要求[10]。温度传感器选用热电偶型，供电电源为DC18-32V宽范围供电，绝缘强度高、温漂小、数据采集精度高。

2.2 集中控制

煤矿空压机自动集中控制系统具备就地控制、远程控制两种方式。就地控制时，上位机集中控制平台只可完成空压机系统的数据采集、显示、故障报警功能；需手动完成空压机、冷却水泵、冷却风扇的启停操作。该控制模式用于需对空压机系统进行例行检修、故障处理情形。远程控制时，上位机除对空压机系统全部数据进行采集、监视、显示外，还可以远程完成空压机变频、工频模式启停，远程启动/停止冷却水泵、冷却风扇。空压机启动与冷却水泵、冷却风扇之间存在闭锁关系，必须保证空压机冷却系统运行正常，才可启动空压机。

2.3 集中监视

煤矿空压机自动集中监视功能包括对空压机本体、冷却系统的实时监视，如每一台空压机的运行状态、设置参数、故障信息、传感器数据以及累计运行时间等。在集中监视平台可实时展示冷却水泵电机、冷却风电电机的运行状态、故障信息等。另外，还可以通过视频图像信息查看空压机、控制室以及周边运行环境。在集中控制系统平台还可以查看空压机历史运行数据，方便技术人员对空压机系统进行诊断、维修和检查。

3 应用分析

该空压机自动集中控制系统在某煤矿进行工业试验，该煤矿的空压机房有6台变频空压机，型号为LU560W-8，额定功率为560 kW，额定电流为63.3 A，额定空气压力为0.8 MPa。空压机房集中控制平台周期性采集空压机运行数据发现，变频模式运行时，空压机卸载次数平均为1.6次/h；工频模式运行时，空压机卸载次数平均为4次/h。2021年3～6月以及2021年6～9月对空压机系统的用电量进行统计，前提为保持用气设备不变，供气距离一致，比较变频、工频运行模式的节电效果：工频运行3个月内系统用电量为608 771 kW·h；变频运行的3个月内系统用电量为423 271 kW·h，节点率达27%。空压机实际使用中，其中1台或者2台空压机变频运行，多台空压机配合工频运行，根据当前实际用气量对空压机的运行数量、工频/变频运行模式进行自动调整，实现实际供气与实际用气的动态平衡；减少空压机卸载次数，降低了空压机设备机械损耗，延长了使用寿命。