空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)

賈 文，李計(jì)志，盛長(zhǎng)斌

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西太原 030000）

0 引言

空氣壓縮機(jī)是特別重要的一種設(shè)備。在煤礦生產(chǎn)制造這方面，有許多用于井下的設(shè)備，風(fēng)鎬、風(fēng)鉆等就是他們的代表，而且這些設(shè)備都是由空壓機(jī)來(lái)提供動(dòng)力。所以說(shuō)，保證空壓機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的有效正常工作，對(duì)于煤礦能否正常作業(yè)生產(chǎn)起到關(guān)鍵作用。由于空壓機(jī)是礦山生產(chǎn)不可缺少的動(dòng)力裝置，必須24 h 不間斷地工作，不同時(shí)段需要不同操作員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查，并記錄空壓機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和主要運(yùn)行參數(shù)。采用手動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)啟?？刂疲瑢?duì)空壓機(jī)進(jìn)行上下料和對(duì)空壓機(jī)各種運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)，需要大量的人力資源，另外，由于工作人員水平不同，因此空壓機(jī)系統(tǒng)的時(shí)效性和準(zhǔn)確度也不盡相同，尤其是夜班操作人員存在注意力不集中現(xiàn)象，因此對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確的檢查和登記是很困難的，而且隨著時(shí)間的推移，在空壓機(jī)故障的早期階段，無(wú)法檢測(cè)并解決可能對(duì)安全生產(chǎn)產(chǎn)生重大影響的隱患。空壓機(jī)滿負(fù)荷工作時(shí)用的電量比較大，如果井下用風(fēng)量比較小的時(shí)候，空壓機(jī)就不需要很長(zhǎng)時(shí)間的滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)行，這樣會(huì)造成很多電能的浪費(fèi)，造成很多沒(méi)有必要的經(jīng)濟(jì)損失。并且如果空壓機(jī)系統(tǒng)失效，無(wú)法及時(shí)核實(shí)排查和準(zhǔn)確定位故障，喪失最佳的修理機(jī)會(huì)，勢(shì)必會(huì)減少空壓機(jī)的使用時(shí)間。因此，需針對(duì)空壓機(jī)工作研究一種遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空壓機(jī)工作狀態(tài)，若空壓機(jī)工作發(fā)生異常及時(shí)反饋，確?？諌簷C(jī)工作過(guò)程安全可靠。

遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)在海外的研究起步比較早，斯坦福大學(xué)與麻省理工大學(xué)于1997 年聯(lián)合舉辦了第一次會(huì)議，這次會(huì)議的主要議題是關(guān)于遠(yuǎn)程監(jiān)控診斷的，因?yàn)檫@次會(huì)議得到了福特、惠普、升陽(yáng)等大量公司的關(guān)注，并且要在這方面給予支持，然后TESTBED 系統(tǒng)便由這些公司一起研究出，這種系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)性的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)能做到實(shí)時(shí)的監(jiān)控對(duì)于遠(yuǎn)程的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)信息[1]。從此，世界各地的許多大公司和機(jī)構(gòu)開(kāi)始對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的綜合研究和設(shè)計(jì)，通過(guò)很長(zhǎng)一段時(shí)間的研究，便建立了一套標(biāo)準(zhǔn)，是關(guān)于規(guī)范數(shù)據(jù)和信息處理這方面的，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的過(guò)渡從理論研究到實(shí)際應(yīng)用的發(fā)展[2]。

由于生產(chǎn)力水平不斷提高，海外有很多知名企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)都開(kāi)始致力于這方面的研究，就是遠(yuǎn)程監(jiān)控空壓機(jī)技術(shù)，他們所研究出的空氣壓縮機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)性能十分穩(wěn)定而且實(shí)用性很強(qiáng)，例如丹麥B&K 所研究出的3540 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，美國(guó)Bently 公司為了對(duì)空壓機(jī)核心的部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，使用了多通道設(shè)置下沉監(jiān)測(cè)器、氣閥溫度監(jiān)測(cè)器、振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)器，伴隨著3300 空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的出現(xiàn)解決了大型活塞空壓機(jī)遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 空壓機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和正常運(yùn)轉(zhuǎn)步驟

空氣壓縮機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)主要包括三個(gè)系統(tǒng)，分別是氣路系統(tǒng)、油路系統(tǒng)、水路系統(tǒng)。這三個(gè)系統(tǒng)之間沒(méi)有必然的聯(lián)系是相互獨(dú)立的，而且各自密封，各有其獨(dú)立的作用，空氣壓縮機(jī)里面的結(jié)構(gòu)和正常運(yùn)轉(zhuǎn)的步驟如圖1 所示。

（1）氣路系統(tǒng)。空氣得到凈化是由濾清器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，經(jīng)過(guò)濾清器后，經(jīng)過(guò)減壓閥就到了空壓機(jī)腔中，在這個(gè)地方和潤(rùn)滑油混合，并且進(jìn)行壓縮，將會(huì)在排氣口排出壓縮的潤(rùn)滑油和空氣的混合物，分離的過(guò)程是由排氣逆止閥到油氣分離器里面，按照最小壓力閥、后冷卻器、水分離器這個(gè)順序依次通過(guò)，最終才將氣體排入到排氣的主管道。

（2）油路系統(tǒng)。潤(rùn)滑油和氣體進(jìn)行充分的混合并且壓縮，是在空壓機(jī)腔中完成的，使用油氣分離器把他們進(jìn)行分離，然后經(jīng)過(guò)溫控閥和冷卻器，在油過(guò)濾器當(dāng)中進(jìn)行凈化，進(jìn)入最后一個(gè)地方空壓機(jī)腔當(dāng)中，那么這個(gè)工作過(guò)程就完成了一次循環(huán)，潤(rùn)滑、冷卻、壓縮及環(huán)保是油路系統(tǒng)在整個(gè)空氣壓縮機(jī)工作當(dāng)中起到的作用，油路系統(tǒng)是整個(gè)空氣壓縮機(jī)里面非常重要的一部分。

（3）水路系統(tǒng)。空氣壓縮機(jī)中壓縮氣體溫度和潤(rùn)滑油溫度的降低，是靠空壓機(jī)水路系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)系統(tǒng)能夠保證整個(gè)空壓機(jī)的正常工作，避免出現(xiàn)很高的溫度對(duì)系統(tǒng)造成很大程度上的損傷。

2 空壓機(jī)控制原理及改造方案

2.1 空壓機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制原理

道清煤礦井下空壓機(jī)房4 臺(tái)空壓機(jī)都是英格索蘭制冷空壓機(jī)，其中2 臺(tái)已完成變頻控制改造，空壓機(jī)在啟動(dòng)前需連接冷卻水泵，否則，空壓機(jī)切水功能將失去作用。當(dāng)冷卻水泵發(fā)揮作用時(shí)，空壓機(jī)分4 個(gè)步驟進(jìn)行控制。

（1）打開(kāi)控件。啟動(dòng)按鈕后，空壓機(jī)會(huì)在空載狀態(tài)下啟動(dòng)。頭部空壓機(jī)吸力可以瞬間打開(kāi)進(jìn)氣閥，但同時(shí)也會(huì)立刻關(guān)閉。在手動(dòng)加載空氣壓縮機(jī)之前，空氣壓縮機(jī)始終處于空載狀態(tài)。目前，空氣壓縮機(jī)不為主管道提供壓力。

圖1 空壓機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作流程圖

（2）加載控件。將空壓機(jī)在空載狀態(tài)下啟動(dòng)，隨著潤(rùn)滑油溫度逐漸升高，當(dāng)溫度到達(dá)70（約1 min），壓縮機(jī)的負(fù)載可以得到控制。此時(shí)手動(dòng)將充電閥轉(zhuǎn)到加載位置，通過(guò)加載閥將壓力傳遞到氣閥內(nèi)使其頂開(kāi)閥門。氣體從進(jìn)氣閥進(jìn)入到達(dá)空壓機(jī)壓縮腔內(nèi)，大氣壓力開(kāi)始釋放到主管道，空壓機(jī)完成加載過(guò)程。

（3）卸載控制。如果地下空氣減少，則需要關(guān)閉空氣壓縮機(jī)。首先，拆除壓縮機(jī)，手動(dòng)打開(kāi)加卸載按鈕并將其轉(zhuǎn)到卸載位置。推動(dòng)氣缸的進(jìn)氣閥門。關(guān)閉輸入閥。氣體的壓縮機(jī)剩余壓力氣體向母管排出：當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到最大壓力，內(nèi)部壓力的空氣壓縮機(jī)將自動(dòng)排放，避免過(guò)度壓力。當(dāng)壓力降至最低壓力極限時(shí)，自動(dòng)重新加載過(guò)程不需要手動(dòng)控制。

（4）停機(jī)控制?？諌簷C(jī)排放后不能立即停止排放，排放變壓器內(nèi)大量高壓氣體仍未排放。如果此時(shí)關(guān)閉，導(dǎo)致閥內(nèi)高壓氣體無(wú)法排出，需要重新釋放氣體。空壓機(jī)的啟動(dòng)相當(dāng)于加載啟動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)的功率損耗和有重大影響的性能增加，降低空氣壓縮機(jī)的使用壽命，卸載后的壓縮機(jī)，壓縮機(jī)的壓力低于安全等級(jí)，然后執(zhí)行停機(jī)操作。

2.2 空壓機(jī)控制系統(tǒng)改造方案

空壓機(jī)是礦山生產(chǎn)的主要力量，必須一天24 h 連續(xù)操作，在每一個(gè)時(shí)間配備不同的員工，為了控制和記錄空壓機(jī)的操作狀態(tài)和主要操作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制啟動(dòng)，卸載控制和操作參數(shù)監(jiān)測(cè)，由于工作人員的操作水平不同，還需要大量的人力，對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)生影響，空氣壓縮機(jī)業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)可用性和準(zhǔn)確性也不同，特別是由于操作人員經(jīng)常在晚上分心，所以他們檢查和記錄壓縮機(jī)時(shí)無(wú)法及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)和處理空壓機(jī)故障風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)安全生產(chǎn)產(chǎn)生重大影響。

通過(guò)對(duì)空壓機(jī)控制系統(tǒng)的分析，可以對(duì)4 種控制系統(tǒng)得到如下改進(jìn)。

（1）在啟動(dòng)按鈕上串聯(lián)常開(kāi)按鈕，停機(jī)按鈕上并聯(lián)常閉按鈕，通過(guò)PLC 控制中間控制繼電器，遠(yuǎn)程啟動(dòng)和關(guān)閉空壓機(jī)。

（2）安裝在空壓機(jī)上的電磁閥與手動(dòng)加載閥連接，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的遠(yuǎn)程加載功能。

（3）以PLC 為開(kāi)發(fā)設(shè)備平臺(tái)，應(yīng)用模糊PID 控制技術(shù)對(duì)空間壓縮機(jī)的調(diào)頻進(jìn)行控制，保證壓力供氣的穩(wěn)定。

（4）手自控制變換。通過(guò)空壓機(jī)主管道壓力和壓縮機(jī)一次運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，設(shè)計(jì)停機(jī)邏輯順序，自動(dòng)控制4 個(gè)壓縮機(jī)。

（5）將變壓器安裝在變壓器采集節(jié)點(diǎn)和冷卻泵上，保證變壓器技術(shù)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集。

（6）上位機(jī)采用組態(tài)軟件生成空間壓縮機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控、邊界外預(yù)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸。

通過(guò)對(duì)空壓機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改裝，實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)的智能遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行和礦山的安全生產(chǎn)。

3 空壓機(jī)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體機(jī)構(gòu)如圖2 所示，系統(tǒng)采用三級(jí)[3-4]垂直結(jié)構(gòu)框架，由PLC 控制的下位機(jī)擴(kuò)展了大多數(shù)字測(cè)量單元和模擬收集單元，收集和處理由傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)到的參數(shù)，并使用邏輯集成信號(hào)程序來(lái)判斷收集到的信號(hào)。上位機(jī)使用開(kāi)發(fā)的組態(tài)軟件和專家系統(tǒng)軟件，將空壓機(jī)遙感系統(tǒng)和故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建。下位機(jī)和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，對(duì)當(dāng)下的環(huán)境，空氣壓縮機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)監(jiān)控[5]。

圖2 空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)控制盤上安裝人機(jī)觸摸屏，集中顯示每個(gè)空壓機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行情況和參數(shù)，以便工作人員和檢查人員可第一時(shí)間了解和檢查空壓機(jī)設(shè)備的狀態(tài)。

空壓機(jī)房配置4 臺(tái)防爆現(xiàn)場(chǎng)攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)房的多角度實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控。視頻轉(zhuǎn)換器被現(xiàn)場(chǎng)記錄鎖定，通過(guò)以太網(wǎng)環(huán)傳輸?shù)降撞浚梢曨l轉(zhuǎn)換器掃描，然后通過(guò)記錄傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，以在空壓機(jī)室中得到實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控圖像。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)分析空壓機(jī)應(yīng)用場(chǎng)所研究現(xiàn)狀，對(duì)空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行研究。

（2）以道清煤礦井下200 號(hào)空壓機(jī)房的4 臺(tái)英格索蘭水冷空壓機(jī)為研究背景，對(duì)其實(shí)際工作中的啟動(dòng)、加載、卸載、停機(jī)的控制分別進(jìn)行研究，并對(duì)空壓機(jī)控制系統(tǒng)改造，最終滿足遠(yuǎn)程智能空壓機(jī)控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控操作，確?？諌簷C(jī)安全持久的穩(wěn)定運(yùn)行，并為礦井下安全生產(chǎn)提供有力的保障。

（3）針對(duì)空氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)，基于工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，并且增加人機(jī)界面觸摸屏，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行集中顯示，確保工作人員能夠及時(shí)且全面掌握空壓機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。