新元礦螺桿空壓機(jī)故障檢測(cè)及控制系統(tǒng)研究

杜江濤

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 045400）

1 概 況

新元礦空壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)相對(duì)落后，空壓機(jī)在出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)不能及時(shí)做出響應(yīng)，系統(tǒng)延遲性高且響應(yīng)精度較低，經(jīng)常發(fā)生因空壓機(jī)錯(cuò)過(guò)維修時(shí)機(jī)而損害設(shè)備壽命或延誤設(shè)備正常使用的情況，因此，基于PLC控制器對(duì)該礦空壓機(jī)故障監(jiān)測(cè)以及控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新元礦在用空壓機(jī)為螺桿式，特點(diǎn)是安全可靠性較高，產(chǎn)生噪音較小，設(shè)備不易損壞。其操作流程為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)空氣進(jìn)入空壓機(jī)，并對(duì)空氣進(jìn)行密封加壓處理，將達(dá)到預(yù)定壓力值的氣體排出，實(shí)現(xiàn)空氣壓縮效果?？諌合到y(tǒng)由空壓機(jī)體、壓縮傳動(dòng)、動(dòng)力系統(tǒng)等構(gòu)成。

以山西新元礦井下600 m布設(shè)的空氣壓縮機(jī)為例進(jìn)行研究，基于PLC控制器的空壓機(jī)故障監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)要滿足以下要求。

（1）在空壓機(jī)輸出端設(shè)置溫度傳感器，實(shí)時(shí)記錄和傳輸排放氣體的溫度數(shù)據(jù)，確保溫度超過(guò)預(yù)警值時(shí)，及時(shí)報(bào)警停機(jī)。

（2）在空氣壓縮機(jī)腔內(nèi)設(shè)計(jì)壓力傳感器，用于監(jiān)測(cè)排出氣體的壓力數(shù)據(jù)。如果壓力超過(guò)預(yù)警值時(shí)，及時(shí)報(bào)警停機(jī)。

（3）對(duì)過(guò)濾器以及分離器的堵塞情況進(jìn)行分析預(yù)警。

（4）如果空氣壓縮機(jī)的排氣流量超過(guò)預(yù)警值，設(shè)備自動(dòng)關(guān)停機(jī)，以確保工作安全。

（5）對(duì)空壓機(jī)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電機(jī)故障并進(jìn)行維修處理。

因此，新元礦空壓機(jī)故障監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括壓力、溫度、流量和振動(dòng)。根據(jù)新元礦實(shí)際情況，設(shè)計(jì)的具體預(yù)警值見(jiàn)表1，超出表預(yù)警值將自動(dòng)停機(jī)。

表1 空壓機(jī)監(jiān)測(cè)參數(shù)預(yù)警數(shù)值Table 1 Early warning values of air compressor monitoring parameters

2.1 硬件組成設(shè)計(jì)

空壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由2部分組成，即控制室遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)由終端控制器接收和傳輸，并通過(guò)PLC傳輸至控制室。整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of monitoring system structure

通過(guò)地面監(jiān)控室遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，由終端空壓機(jī)上的傳感器對(duì)實(shí)時(shí)工況進(jìn)行數(shù)據(jù)整理收集，經(jīng)由交互機(jī)傳至地面上位機(jī)進(jìn)行PLC數(shù)據(jù)處理計(jì)算。PLC模塊微處理器型號(hào)為S7-200C PU226，可對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)計(jì)算，通信模塊選用為西門子網(wǎng)絡(luò)拓展模塊，對(duì)輸入信號(hào)有較強(qiáng)的抗干擾能力。

對(duì)于傳感器的選擇要考慮井下實(shí)際工作環(huán)境，由于井下環(huán)境潮濕，且有一定腐蝕效果，空壓機(jī)本身工況也要求傳感器耐沖擊能力以及耐受高溫的工作環(huán)境。結(jié)合井下復(fù)雜工作環(huán)境對(duì)傳感器進(jìn)行合理選型，見(jiàn)表2。

表2 空壓機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器選型設(shè)計(jì)Table 2 Sensor selection design of air compressor monitoring system

（1）空壓機(jī)的溫度監(jiān)測(cè)主要包括對(duì)潤(rùn)滑油以及排氣口溫度進(jìn)行收集處理，選用PT100-TA10/0-200整體式溫度變送器，溫度的變化范圍為200℃，測(cè)量范圍較大，可實(shí)現(xiàn)對(duì)潤(rùn)滑油等溫度的精確監(jiān)測(cè)效果；電機(jī)溫度監(jiān)測(cè)可選用CZ51型電機(jī)軸承溫度探頭及變送器，該傳感器監(jiān)測(cè)溫度范圍200～1 600℃，溫度信號(hào)可轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)二線制4～20 mA的DC電信號(hào)進(jìn)行傳輸，使用效果較好。

（2）壓力傳感選型設(shè)計(jì)。對(duì)潤(rùn)滑油以及空壓機(jī)的出口壓力等進(jìn)行監(jiān)測(cè)是確?？諌簷C(jī)設(shè)備能夠平穩(wěn)高效運(yùn)行的關(guān)鍵，對(duì)于冷卻水泵以及母管壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)則可保證水泵的正常運(yùn)行過(guò)程。選取OPEC2088型硅擴(kuò)散壓力變送器進(jìn)行壓力數(shù)據(jù)測(cè)量，具有測(cè)量精度高、體積小、數(shù)據(jù)測(cè)量穩(wěn)定的特點(diǎn)，其工作溫度在-196～450℃，耐溫范圍較大，基本可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

（3）流量傳感器選取LCX型號(hào)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程流量的監(jiān)測(cè)以及預(yù)警報(bào)警效果，流量傳感器安裝在空壓機(jī)冷卻管路上，在冷卻管路水流終端時(shí)觸發(fā)報(bào)警信號(hào)或緊急停機(jī)處理。

（4）振動(dòng)傳感器選型設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)空壓機(jī)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)效果，對(duì)空壓機(jī)電機(jī)進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)，異常的機(jī)械振動(dòng)是電機(jī)發(fā)生故障的前提，因此對(duì)電機(jī)進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)電機(jī)故障并進(jìn)行維修處理。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用XZD-YB一體化防爆振動(dòng)變送器來(lái)對(duì)空壓機(jī)的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，監(jiān)測(cè)的振動(dòng)幅度在0～200 um、0～500 um、0～1 000 um，工作電壓為DC24V，輸出電信號(hào)的形式同樣為4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由上位機(jī)系統(tǒng)程序和下位機(jī)系統(tǒng)程序2部分組成。上位機(jī)系統(tǒng)對(duì)控制室數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和處理，具有查詢和通信功能，可實(shí)時(shí)下達(dá)指令和發(fā)出警報(bào)。軟件設(shè)計(jì)界面包括操作員系統(tǒng)運(yùn)行界面和空壓機(jī)工況界面等，可實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、壓力、流量以及溫度的實(shí)時(shí)顯示，通過(guò)報(bào)警指令燈、語(yǔ)音提示等對(duì)緊急停機(jī)按鍵進(jìn)行操作，有效降低井下人工進(jìn)行巡視時(shí)數(shù)據(jù)記錄的勞動(dòng)量；下位機(jī)程序包括空壓機(jī)工況的數(shù)據(jù)傳輸識(shí)別，對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，存在設(shè)備運(yùn)行故障時(shí)進(jìn)行初步識(shí)別，做出是否進(jìn)行預(yù)警處理的指令，符合故障識(shí)別指令則執(zhí)行下一階段，向上位機(jī)傳輸命令，否則根據(jù)通信系統(tǒng)反饋返回至初始狀態(tài)。具體操作流程如圖2所示。

圖2 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)流程Fig.2 Programming flowof lower computer

3 運(yùn)行效果

將設(shè)計(jì)的空壓機(jī)故障監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)踐中進(jìn)行應(yīng)用，對(duì)新元礦井下3臺(tái)空壓機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析，具體參數(shù)監(jiān)測(cè)值見(jiàn)表3。

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，該系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中對(duì)各參數(shù)的監(jiān)測(cè)效果良好，其中出氣口溫度以及排氣壓力都控制在預(yù)警范圍之內(nèi)，且監(jiān)測(cè)值相近，符合實(shí)際運(yùn)行狀況。對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控操作大幅降低了井下工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了設(shè)備的維修保養(yǎng)費(fèi)用，達(dá)到了對(duì)空壓機(jī)設(shè)備的自動(dòng)化控制故障監(jiān)測(cè)目的，使用效果良好。

表3 空壓機(jī)測(cè)試參數(shù)Table 3 Air compressor test parameters

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)新元礦實(shí)際情況，基于邏輯控制電子觸電PLC操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了空壓機(jī)故障監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)踐表明，設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可靠性高，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，降低了井下工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了設(shè)備的維修保養(yǎng)費(fèi)用，操作界面簡(jiǎn)單優(yōu)化，實(shí)際應(yīng)用良好，工作效率得到有效提升。