煤礦井上空壓機(jī)自動(dòng)集中控制系統(tǒng)研究*

周永杰

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司 東曲煤礦機(jī)電科外維一隊(duì)，山西 古交 030200)

0 引 言

空氣壓縮機(jī)(Air Compressor)簡(jiǎn)稱(chēng)空壓機(jī)，是一種將電動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為氣體壓力能的裝置，在煤礦行業(yè)的應(yīng)用十分廣泛。目前，大多數(shù)煤礦空壓機(jī)人工手動(dòng)操作，7×24 h值班，根據(jù)需求頻繁對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)、停止操作，該控制模式安全性差、穩(wěn)定性不高、集成度低，無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)煤礦用氣設(shè)備的基本需求。利用單片機(jī)、PLC、DSP等控制技術(shù)，對(duì)空氣壓縮機(jī)進(jìn)行集中控制，是煤礦用空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)亟需解決的問(wèn)題[1-3]。國(guó)外煤礦企業(yè)如小松、JOY、DBT等將PLC控制技術(shù)應(yīng)用于空壓機(jī)控制系統(tǒng)的改造以及集中監(jiān)控，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和不斷完善，空壓機(jī)集中控制系統(tǒng)較為先進(jìn)和完善。國(guó)內(nèi)空壓機(jī)控制系統(tǒng)以及集中監(jiān)控系統(tǒng)的起步較晚，在借鑒和吸收國(guó)外系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在神東、同煤、永煤等企業(yè)已經(jīng)有空壓機(jī)實(shí)際應(yīng)用案例，但是在空壓機(jī)集中控制系統(tǒng)智能故障診斷、調(diào)度算法等方面存在一定的問(wèn)題[4-7]。筆者以某煤礦空壓機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況，設(shè)計(jì)集中控制系統(tǒng)，采用模糊PID變頻控制策略，采用傳感器技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空壓機(jī)運(yùn)行參數(shù)并完善通信模式，保證空壓機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和連續(xù)性。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

煤礦空壓機(jī)自動(dòng)集中控制系統(tǒng)的目是實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)、在線控制以及井上下互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)集中控制系統(tǒng)的智能化、信息化以及網(wǎng)絡(luò)化管理。煤礦空壓機(jī)自動(dòng)集中控制系統(tǒng)工作原理如圖1所示，由控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)兩部分組成。視頻監(jiān)控系統(tǒng)部分在空壓機(jī)適當(dāng)位置安裝攝像儀，將空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以及壓力、溫度、流量傳感器視頻數(shù)據(jù)上傳至交換機(jī)、硬盤(pán)錄像機(jī)后，在空壓機(jī)集中控制平臺(tái)的顯示屏中集中顯示，同時(shí)將視頻數(shù)據(jù)保存于硬盤(pán)錄像機(jī)中?？刂葡到y(tǒng)部分由上位機(jī)、PLC控制柜、變頻器-空壓機(jī)組、低壓?jiǎn)?dòng)柜以及傳感器組組成。PLC控制柜是空壓機(jī)集中控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)周期性采集空壓機(jī)設(shè)置參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、故障信息、傳感器數(shù)據(jù)以及水泵、風(fēng)扇等信息并上傳至上位機(jī)進(jìn)行集中顯示。PLC控制柜還可將上位機(jī)控制指令進(jìn)行解析并完成對(duì)指定設(shè)備的控制，如在集中控制平臺(tái)啟動(dòng)冷卻水泵、冷卻風(fēng)扇，PLC控制柜接收到該命令并正確解析后，直接控制冷卻水泵啟停點(diǎn)得電并啟動(dòng)冷卻水泵?？諌簷C(jī)控制模式由變頻器以“一對(duì)一”模式進(jìn)行控制，可完成變頻、工頻控制[8-9]。PLC控制柜與上位機(jī)之間采用TCP/IP通訊將空壓機(jī)所有數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)集中控制平臺(tái)、PLC控制柜與變頻器以及PLC控制柜與低壓?jiǎn)?dòng)柜之間采用CAN總線通訊完成數(shù)據(jù)、指令的傳輸。低壓控制柜用于控制冷卻水泵、冷卻風(fēng)扇的啟動(dòng)和停止。傳感器組包括檢測(cè)空壓機(jī)流量、壓力以及溫度的傳感器，安裝與每一臺(tái)空壓機(jī)機(jī)身的合適位置，PLC控制柜周期性的采集傳感器數(shù)據(jù)并經(jīng)A/D、濾波等轉(zhuǎn)換后直接用于邏輯控制。

圖1 煤礦井上空壓機(jī)自動(dòng)集中控制系統(tǒng)工作原理

PLC控制柜以變頻模式對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行控制，空壓機(jī)以變頻模式啟動(dòng)后，PLC控制柜實(shí)時(shí)采集壓力傳感器數(shù)據(jù)，與設(shè)定的壓力傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，采用模糊PID控制算法控制反饋值逼近設(shè)定值，使得空壓機(jī)達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)，變頻驅(qū)動(dòng)控制策略如圖2所示，根據(jù)壓力傳感器反饋值形成模糊PID閉環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，PLC控制柜可直接切換至工頻控制模式完成對(duì)空壓機(jī)的控制，保證空壓機(jī)連續(xù)運(yùn)行。

圖2 空壓機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)控制工作原理

2 方案實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件選型

煤礦空壓機(jī)自動(dòng)集中控制系統(tǒng)用到的核心硬件主要包括PLC控制器、變頻器、傳感器等。PLC控制器選用西門(mén)子PLC-300系列控制器及其擴(kuò)展模塊，具備TCP/IP、CAN總線通訊功能，并滿(mǎn)足空壓機(jī)集中控制系統(tǒng)需要的數(shù)字量、模擬量輸入輸出點(diǎn)。變頻器選用ABB公司的SCS800支持三電平、四象限運(yùn)行的變頻器，采用雙處理器、雙存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，具有大存儲(chǔ)、高運(yùn)算的特點(diǎn)，滿(mǎn)足系統(tǒng)空壓機(jī)控制要求[10]。溫度傳感器選用熱電偶型，供電電源為DC18-32V寬范圍供電，絕緣強(qiáng)度高、溫漂小、數(shù)據(jù)采集精度高。

2.2 集中控制

煤礦空壓機(jī)自動(dòng)集中控制系統(tǒng)具備就地控制、遠(yuǎn)程控制兩種方式。就地控制時(shí)，上位機(jī)集中控制平臺(tái)只可完成空壓機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、顯示、故障報(bào)警功能；需手動(dòng)完成空壓機(jī)、冷卻水泵、冷卻風(fēng)扇的啟停操作。該控制模式用于需對(duì)空壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行例行檢修、故障處理情形。遠(yuǎn)程控制時(shí)，上位機(jī)除對(duì)空壓機(jī)系統(tǒng)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、監(jiān)視、顯示外，還可以遠(yuǎn)程完成空壓機(jī)變頻、工頻模式啟停，遠(yuǎn)程啟動(dòng)/停止冷卻水泵、冷卻風(fēng)扇。空壓機(jī)啟動(dòng)與冷卻水泵、冷卻風(fēng)扇之間存在閉鎖關(guān)系，必須保證空壓機(jī)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行正常，才可啟動(dòng)空壓機(jī)。

2.3 集中監(jiān)視

煤礦空壓機(jī)自動(dòng)集中監(jiān)視功能包括對(duì)空壓機(jī)本體、冷卻系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)視，如每一臺(tái)空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)置參數(shù)、故障信息、傳感器數(shù)據(jù)以及累計(jì)運(yùn)行時(shí)間等。在集中監(jiān)視平臺(tái)可實(shí)時(shí)展示冷卻水泵電機(jī)、冷卻風(fēng)電電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、故障信息等。另外，還可以通過(guò)視頻圖像信息查看空壓機(jī)、控制室以及周邊運(yùn)行環(huán)境。在集中控制系統(tǒng)平臺(tái)還可以查看空壓機(jī)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，方便技術(shù)人員對(duì)空壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行診斷、維修和檢查。

3 應(yīng)用分析

該空壓機(jī)自動(dòng)集中控制系統(tǒng)在某煤礦進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，該煤礦的空壓機(jī)房有6臺(tái)變頻空壓機(jī)，型號(hào)為L(zhǎng)U560W-8，額定功率為560 kW，額定電流為63.3 A，額定空氣壓力為0.8 MPa。空壓機(jī)房集中控制平臺(tái)周期性采集空壓機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，變頻模式運(yùn)行時(shí)，空壓機(jī)卸載次數(shù)平均為1.6次/h；工頻模式運(yùn)行時(shí)，空壓機(jī)卸載次數(shù)平均為4次/h。2021年3～6月以及2021年6～9月對(duì)空壓機(jī)系統(tǒng)的用電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，前提為保持用氣設(shè)備不變，供氣距離一致，比較變頻、工頻運(yùn)行模式的節(jié)電效果：工頻運(yùn)行3個(gè)月內(nèi)系統(tǒng)用電量為608 771 kW·h；變頻運(yùn)行的3個(gè)月內(nèi)系統(tǒng)用電量為423 271 kW·h，節(jié)點(diǎn)率達(dá)27%?？諌簷C(jī)實(shí)際使用中，其中1臺(tái)或者2臺(tái)空壓機(jī)變頻運(yùn)行，多臺(tái)空壓機(jī)配合工頻運(yùn)行，根據(jù)當(dāng)前實(shí)際用氣量對(duì)空壓機(jī)的運(yùn)行數(shù)量、工頻/變頻運(yùn)行模式進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)實(shí)際供氣與實(shí)際用氣的動(dòng)態(tài)平衡；減少空壓機(jī)卸載次數(shù)，降低了空壓機(jī)設(shè)備機(jī)械損耗，延長(zhǎng)了使用壽命。

4 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的煤礦空壓機(jī)自動(dòng)集中控制平臺(tái)達(dá)到了控制模式靈活、通訊方式多變、故障率低的目的。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該集中控制系統(tǒng)使得空壓機(jī)的節(jié)電率達(dá)到27%，電磁閥動(dòng)作次數(shù)降低了70%，達(dá)到了節(jié)能效果，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測(cè)、在線控制以及互聯(lián)互通的目的，實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)集中控制系統(tǒng)的智能化、信息化管理。