压风机自动化技术改造

李廷杰，侯志会

（焦煤公司赵固一矿，河南焦作 454000）

压缩空气作为煤矿常用的一种动力源，主要应用于驱动气缸、风镐、风钻、凿岩机等气动设备和压风自救装置。作为压缩空气的制造者——空气压缩机就显得尤为重要，它的安全可靠运行直接关系到煤矿的生产安全和经济效益。

1 系统现状

目前赵固一矿西风井压风机房已安装4 台MM250型螺杆式空压机，配套电机功率250 kW，电压10 kV，压风机排气量45 m3/min，额定排气压力0.7 MPa；安设4个风包，设计压力1.0 MPa。管路上闸阀均为手动闸阀，冷却方式为水冷，空气压缩设备运行稳定正常。

供电系统：MM250型螺杆式空压机采用KYN28-12高压配电柜直接启动，高压配电室内配置2台进线柜、4台出线柜、2台PT 柜。

压风机房系统现状如图1所示。

图1 压风机系统现状

2 系统设计规范及依据

系统设计规范及依据包括：《煤矿安全规程》、《煤矿监控系统总体设计规范》、《煤矿信号设备通用技术条件》MT287-92、《爆炸性环境用防爆电气设备通用要求》GB3836.1-2010、《煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求》MT209-1990、《可编程逻辑控制器编程语言标准》IEC61131-3、《可编程序控制器》GB/T15969.8-2007、《工业电视系统工程设计规范》GB50115-2009、《视频安防监控系统工程设计规范》GB50395-2007。

3 系统设计原则

（1）安全性。充分考虑系统和数据的安全性。系统具有较强的身份认证、授权、加密等机制、完善全面的事件日志、数据备份和病毒防护功能。

（2）先进性。充分利用飞速发展的计算机和自动化网络技术，全面准确地体现用户的管理思想及操作方式，建立一个符合标准的、开放的、易管理的自动控制网络系统。

（3）开放性。要在符合通用标准的前提下，系统提供以太网或OPC 接口，实现系统最大限度的信息共享。系统结构合理，便于系统的扩展。

（4）实用性。系统具有灵活、可靠的控制功能，简单实用，易于掌握，人机界面友好，程序参数可以方便修改；具有自诊断功能，具有实时数据采集、处理及显示功能；采集到的数据存在数据库中，可以方便地查询。利用信息融合技术、故障诊断技术等技术对数据进行处理，对设备故障进行早期预报，提供故障诊断信息，提高生产效率，保障设备安全运行。

（5）可靠性。在硬件选型、网络设计、支撑环境、应用系统的建设过程中，充分体现这一原则，保证整个系统运行可靠、故障率低、维护方便、修改灵活。

（6）经济性。在一定的资金资源上，尽量有效地运行利用，以适当的投入建立一个高水平的、完善的自动化控制网络系统，所有设备的选型配置坚持性价比最优的原则。

4 系统特色

4.1 数据在线监测功能

系统配置有相应的前端感知设备和后台智能软件分析服务，能够实现对压风系统通讯状态、故障状态、阀门开闭状态、风压等电力参数的在线监测，达到对压风系统各项参数的全面采集与监测，符合《煤矿设备重大设备感知接入细则》对数据监测类型的要求，以及满足各地智能压风系统的政策要求。

4.2 一键启动、自动轮换、一键倒机

系统可以实现对压风机、冷却水泵的一键启动，自动轮换、故障自动倒机、定时自动倒机和一键倒机等功能。系统具有根据风压的需求投入或退出压风机的开机台数，实现恒压自动调风，风包具有定期排污功能。

4.3 故障分析诊断与预警、告警

系统实时监测压风系统的压力、温度、振动、电压、电流等数据，当发生异常，经检测诊断后，系统能够准确分析与诊断故障发生原因、时间、类型与地点，在上位机同步发出语音与文字告警。

4.4 视频一体化控制

控制系统中配置半球形网络摄像仪，通过控制中心上位机调用摄像仪控件，对压风机房和配电室各监控点进行水平0°～355°旋转，垂直方向0°～75°视频巡航监视，方便调度中心实时监视整个压风机房和配电室的图像画面，更快速全面的了解压风设备运行情况，真正保证和实现无人值守。

5 系统设计概述

5.1 系统整体结构组成

固一矿西风井压风机自动化集控系统主要由以下三部分组成：调度室远程监控站、工业以太网传输网络、压风机房监控系统。

远程监控站一般设置在调度中心，设置操控站，通过操控站对压风机房相关设备进行集控和监视。远程监控站是以高性能工控机为平台，通过该平台上的压风机在线监控软件完成控制器的参数和命令的传达，是人机交互的核心；实现数据的存储，并以图形、报表、曲线等形式实现数据的查询、分析和展示；担负着系统运行的监测、维护、故障分析及预警以及命令的执行等任务。

工业以太网是系统各部分相互通信的基础，为了实现系统数据的远程传输，从压风机房到调度中心敷设通信光缆，与工业级交换机组成工业以太网。

压风机房就地监控系统、远程监控站和网络分布系统等通过以太网平台进行数据通讯，相互传递数据。

压风机房监控系统主要由位于压风机房内的就地监控站（工控机）、可编程逻辑控制系统、位于现场的电动阀门、压力传感器、液位传感器、温度传感器、振动传感器、涡街流量计、电力采集模块等组成。

5.2 压风机房监控系统设计

通过在压风机房配置的一套可编程逻辑控制器，采集系统所配置各类传感器的参数，实现压风机压缩空气压力、温度、流量，压风机冷却水系统的压力、液位和温度的实时监测，并通过配置的电力采集模块实时监测压风机的电压、电流、功率等电力参数；同时实现压风机、冷却水泵和电动阀门的就地集中控制和远程控制。由控制器根据参数设置与传感器实时数值进行逻辑判断，可实现多台压风机、冷却水泵定时自动倒机，故障自动倒机和一键倒机功能。

5.2.1 阀门及传感器配置

（1）电动阀门。每台压风机进出水闸阀改为电动闸阀，实现冷却水的自动控制；另外，每个气罐的手动排污阀门改装为电动阀门，实现定期自动排污。

（2）压力。通过在每个气罐上安装一个压力传感器，测量每个气罐的压力变化；在主排气管路配置压力传感器，实现系统按压力调节投入压风机的数量。在每台压风机的冷却进水总管路安装一个压力传感器，实时监测冷却水的压力变化。

（3）温度。通过在每个气罐的出气管路上安装一个温度传感器，测量每个气罐的温度变化；在每台压风机的冷却水进出水管路各安装一个温度传感器，测量各台压风机的冷却水温度。

（4）振动。在每台压风机主电机上安装振动传感器，实时监测电机运行时的振动值。

（5）流量计。通过在主管路上安装一个流量计，实时监测管路的流量变化。

（6）液位。在冷却水池里安两个液位传感器，实时监测冷却水池的水位变化，并且液位传感器具备就地显示功能。

（7）电力参数.电力参数指压风机配套电机工作时电流、电压、功率、功率因数等。通过电力采集模块与串口服务器，采集电机工作时的参数，实现能耗自动分析与计算功能。

5.2.2 控制系统设计

设计压风机集控系统，通过与压风机控制器预留的RS485或以太网接口通讯，来实现数据的交换，同时通过压风机集控系统配置的以太网模块接入工业环网交换机，完成其与上位机的数据传输，实现对压风机、电动阀门、传感器的监测和控制。

系统具备远程自动控制、远程单机自动控制、远程单机手动控制、就地控制、检修控制等操作模式。在正常运行过程中，不管工作在何种工作方式，均可实时将压风机房现场的各种运行参数、设备状态通过通讯网络传到远程监控站，在上位机软件实时显示。

5.2.3 故障保护

压风机容量较大，耗电量大，是煤矿重要的动力源，因此对压风机在线监控系统的安全性、可靠性要求较高，所以系统设计了全面的故障报警功能。①压缩空气温度、压力故障报警：通过配置温度和压力传感器，采集压缩气体的温度、压力，与设定限值比较，并通过可编程控制器进行逻辑判断，实现压风机的加载、卸载、超限报警及故障停车，起到压风机超温、超压保护。②冷却水温度、压力、液位故障报警：传感器实时检测冷却水液位、压力，可以在冷却水水位过低，压力过低、过高时报警提示，为压风机的正常运行提供了有力保障。③电力参数故障报警：利用电力采集模块采集压风机运行的电力参数，监控压风机电流、电压、功率等电气参数，实现故障分析诊断和预警功能。④风机压力、温度故障报警：通过与压风机进行通讯，采集压风机压力、温度，实现异常告警。

5.2.4 视频监控系统设计

控制系统结合视频监控系统，可以实现压风机房的无人值守。本视频监控系统配置一定数量的摄像仪，把整个压风机房以及配电室的图像实时传输至调度中心，并能够存储录像。

在压风机房和配电室各增加一台网络高清摄像仪，摄像仪通过网线就近接入PLC 柜内交换机，实现远程视频监控；同时自动化控制系统软件中嵌入视频图像，当设备出现告警，上位机监控画面可自动弹出现场视频图像。实现控制系统和视频图像的联动控制。

6 系统功能

6.1 显示功能与控制功能

系统操控软件包含工艺流程图总画面，实时显示整个压风机系统总体运行情况和主要设备的运行状态和实时参数。具体有：①压风机系统工艺参数：气体温度、冷却水温度、气体压力、排气管路流量，显示风机运行状态，通讯状态、电机的振动、阀门开闭状态。②电力参数：压风机电压、电流、功率等。系统可根据程序进行逻辑判断，具有压风机和冷却水泵自动轮换运行、故障自动倒机、定时自动倒机和一键倒机功能；具有风包定期自动排污的功能；具有根据风压需求自动确定投入风机的数量，实现自动调风。

6.2 参数设置与数据曲线查询

用户可以根据自己的系统运行情况，设置系统各个设备的运行参数，为系统运行及报警提供依据。并且对于重要的系统参数，进行实时采集，并进行存储；实时数据可生成实时曲线，历史数据可生成历史曲线，以供需要时及时查询。

6.3 报表打印功能

系统具备报表生成、存储、查询、打印功能。可根据需要输出包括设备工况运行报表、故障报警实时报表以及设备操作报告和过程变量报告等，保证各种规范管理的需要。当系统检测到故障发生时，报警画面自动弹出，提醒工作人员处理。系统具有基于采集到的大量工况数据分析的故障诊断及预警功能。

6.4 运行记录和操作记录查询

对于系统各设备的运行情况和操作情况进行记录、存储、查询；有助于对系统运行情况的分析。

6.5 通讯及对接功能

实时展示系统的通讯拓扑图，即各设备的通讯在线状态。具有与全矿工业以太网联网功能，能够把压风机系统的各项监测参数、状态、故障参数、故障记录、报警情况等的数据传输到煤矿局域网上，实现与其他系统的数据交换。

接入煤矿智能化综合管控平台：硬件上通过压风机监控系统PLC 控制器的以太网接口，接入工业以太网，实现与综合管控平台数据的交互；软件上，采用开放通用的OPC 方式对接，上位机整合到综合管控平台上，实现数据的提取和画面的再开发。

7 结束语

系统通过与压风机通讯和配置三相电采集模块，采集压风机电压、电流、功率等的电力参数，实现系统能耗自动分析和计算功能。系统web 发布功能，利用矿区已建设的办公网络，与该系统的工业以太网实现对接，由此系统数据可以web 的形式发布，办公网络内的网络用户可以通过浏览器查看系统数据，实现压风机在线监测系统的数据共享，便于领导层及时了解压风机房设备的运行状况，有助于系统的维护和管理。