矿用空压机的远程监测及智能联控系统的设计

夏 坤

（山西潞安集团左权阜生煤业有限公司，山西 晋中 032600）

引言

空气压缩机（简称空压机）作为矿井作业过程中的重要动力设备，其作用主要是将空气压缩至一定压力后，为风镐和风钻等设备提供动力。空压机在实际矿井作业过程中，常出现耗电量大、出口气体或温度过高等现象。因此，为了降低耗电量，确保管路压力的稳定性，本文采用先进的传感器及数据处理技术，从而实现了空压机的智能联动控制[1]。

1 空压机的基本结构与工作原理

单螺杆空压机主要由主机和辅机两部分构成，主机包括螺杆空压机主机及主电机，辅机包括进排气系统、油气分离系统、冷却系统、控制系统及电气控制部分组成，如图1 所示。

图1 单螺杆空压机主要结构

如图1 所示，为单螺杆空压机的工作原理图，其作业流程分为吸气、压缩及排气三个过程。吸气过程螺杆螺槽在星轮齿尚未啮入前与吸气腔相通，处于吸气状态，当螺杆转到一定位置，星轮齿将螺槽封闭，此时吸气过程结束[2]；压缩过程即吸气过程结束后，螺杆继续转动，随着星轮齿沿着螺槽推进，封闭的工作容积逐渐减小，实现气体的压缩过程，当工作容积与排气孔口连通时，压缩过程结束；排气过程即工作容积与排气孔口通后，螺杆继续转动，被压缩气体由排气孔口输送至排气管道直至星轮齿脱离螺槽为止。

2 空压机远程监测及智能联动控制系统的总体设计

智能联动控制即实现3 台空压机之间的智能联动控制，从而依据设备的作业状况实时精准控制所有设备的运行状况。空压机的控制主要表现为启停设备、加载卸载控制及启动空压机数量等。对空压机进行在线监测是保障智能联动控制功能实现的前提，监测数据经PLC 控制器进行分析处理后，再通过工业以太网、MODBUS 通信协议传输数据，从而使显示、记录、故障报警等功能得以实现[3]。

综合智能联动控制系统的功能结构分为上、中、下三个层次，分别为数据远程监测存储与预警层、数据通信及信号传输层、数据检测采集与控制层。

数据远程监测存储与预警层即上层的功能主要为数据显示和存储、曲线查询、超限预警等；数据通信及信号传输层即中层包含以太网和RS485 总线模块等；数据检测采集与控制层即下层的功能为通过电参数采集模块和传感器检测模块实现数据的采集与控制。

3 空压机远程监测系统的硬件选型

考虑到空压机监控系统的功能，本文的硬件选型设计对象主要为相关传感器和核心PLC 控制器。

如表1 所示，参考空压机监测系统的监测项目，确定了空压机远程监测系统传感器的具体选型结构，其将传感器设备分为温度、压力、振动传感器。

表1 空压机远程监测系统传感器的选型

远程监测和智能联动控制实现的核心在于PLC控制器，本文采用的是S7-200 226CN 型PLC 控制器，其具有可靠性高、响应速度较好的优点。该型号的PLC 控制器具有26 个开关输入量、16 个开关输出量。对于空压智能控制系统所需监测和控制的项目，空压机系统所需的开关输入量和开关输出量均为16 点。

统计空压机系统的模拟量输入及输出点数情况，其空压机系统需扩展两个AI/AO 模块其型号为EM235；四个AI 模块其型号为EM231。

4 空压机智能联动控制系统结构的设计

本文中的矿用单螺杆空压机的智能联动控制系统包括以下三部分：空压机运行过程中的温度、压力等参数实时采集与显示，历史数据存储查询功能；通过设置的压力传感器、温度传感器等实现对空压机的断油、超温、超压等保护；具有就地和远程控制功能，远程控制分为远程手动控制及远程自动控制，远程手动控制即可远程单独控制某台空压机的启、停；远程自动控制依据空压机母管气体的温度、压力以及空压机的运行时间、润滑油的温度等，来合理控制空压机的启动台数及启动时间。其中，远程自动控制系统为空压机智能联动控制系统核心。该系统用1 台PLC作为控制核心，分别与3 台空压机进行RS485 通信，实现启动、停止、压力/温度、空压机轮换等控制；并实时读取每台空压机的运行状态、压力/温度等显示参数，也可在手动模式下对每台空压机独立控制。

同时在PC 端安装WINCC 组态与PLC 通讯，用作后台监控，进行数据读取、发送及存储，来控制空压机的运行，如图2 所示。

图2 系统配置图

此外，该智能联动控制系统还实现了各空压机运行状况间的联动控制，具体体现在对启停顺序和运行时间方面的控制。启动顺序控制原则为依据母管的压力情况确定空压机的启动数量。

1）启动运行：设置为联控状态，在所有机器备妥待机的状态下，1 号启动，进入加载状态，在设定的延时30 min 到达设定压力，如果压力未达到要求，那么2 号机启动，联动延时30 min 到达，如果压力还是没有达到用气要求，那么3 号机启动。

2）加载、卸载运行：空压机加载过程不改变，空压机启动后，根据管网压力进行卸载。

3）空压机轮换、停机：假设当前1 号空压机运行满足用气要求，2 号、3 号空压机处于待机备妥状态，1号空压机持续运行至设定时间72 h，则自动切换至下1 台空压机运行；假设多台空压机同时运行，满足用气需求的同时，若其中某台空压机的空载率达到70%，则根据空压机运行时长，运行时间长的空压机自动停止运行并处于备妥状态；假设多台空压机同时运行，若其中某台空压机空久停车时间达到设定时间30 min，则这台空压机立即停机并处于备妥状态。

5 结语

空压机作为矿井作业中为风泵、风镐和风钻等设备提供驱动力的重要设备，不仅降低了其耗电量，而且有效提升了空压机系统的智能化和自动化水平，对实现空压机智能联动控制系统意义重大。在远程监测空压机运行状况的情况下，空压机间的智能联动控制综合管网压力以及空压机的运行状态、润滑油的温度等，管网的压力值得以实现控制，从而合理控制空压机的启动台数及启动时间，以达到降低空压机能耗的目的。