空壓機故障監(jiān)測及其控制系統(tǒng)的設(shè)計

王 軍

（華陽新材料科技集團有限公司安全監(jiān)察局，山西 陽泉 045000）

引言

基于目前空壓機監(jiān)測控制系統(tǒng)較為落后，對空壓機運行故障不能及時做出響應(yīng)處理，系統(tǒng)延遲性高且響應(yīng)精度較低，經(jīng)常發(fā)生因空壓機錯過維修時機損害設(shè)備或延誤設(shè)備的正常使用，因此對空壓機進(jìn)行故障監(jiān)測以及控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計十分必要。本文通過設(shè)計以PLC控制器為核心的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，對空壓機故障進(jìn)行實時監(jiān)測控制，實現(xiàn)對空壓機運行狀態(tài)的自動化、智能化管理控制。

1 工程背景

礦用壓縮機通常以螺桿式為主，特點是安全可靠性較高，且產(chǎn)生噪聲較小，設(shè)備不易損壞，其操作流程為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動帶動空氣進(jìn)入空壓機并對空氣進(jìn)行密封加壓處理，將達(dá)到預(yù)定壓力值的氣體排出，完成空氣壓縮效果?？諌合到y(tǒng)由空壓機體、壓縮傳動、動力系統(tǒng)等構(gòu)成，其中附帶空氣濾清器對空壓機進(jìn)行定時除塵清潔，溫度傳感器對排出氣體的溫度進(jìn)行檢測，壓力維持閥保持空壓機腔體壓力穩(wěn)定，超出預(yù)定壓力進(jìn)行卸壓報警等。以山西某煤礦井下600 m布設(shè)的六臺空氣壓縮機、地面布設(shè)的四臺空氣壓縮機為例，布設(shè)效果應(yīng)滿足以下幾個要求：

1）空壓機應(yīng)在出口處設(shè)計溫度傳感器，對排出氣體的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實時收集傳輸，保證在超出預(yù)警值溫度時及時做到報警停機處理。

2）在空壓機腔體設(shè)計壓力傳感器，對排出氣體的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行收集監(jiān)測，超出預(yù)警值壓力時及時進(jìn)行報警停機處理。

3）對過濾器以及分離器的堵塞情況進(jìn)行分析并進(jìn)行預(yù)警。

4）空壓機排出氣體流量超過預(yù)警值時，為保證工作安全應(yīng)使空壓機自動停機并進(jìn)行檢查。

因此對空壓機故障監(jiān)測及控制系統(tǒng)的監(jiān)測參數(shù)設(shè)計應(yīng)包括壓力、溫度以及流量3個方面，具體設(shè)計預(yù)警值見表1，超出表中部分將自動停機保護(hù)。

表1 空壓機監(jiān)測參數(shù)預(yù)警數(shù)值

2 監(jiān)測及控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件組成設(shè)計

空壓機的監(jiān)測系統(tǒng)由控制室遠(yuǎn)程監(jiān)測控制上位機系統(tǒng)與下位機現(xiàn)場監(jiān)測控制子系統(tǒng)兩部分組成，兩者由終端控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收傳輸，并通過PLC傳輸數(shù)據(jù)至控制室，整體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

通過地面監(jiān)控室遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，由終端空壓機上的傳感器對實時工況進(jìn)行數(shù)據(jù)整理收集，經(jīng)由交互機傳至地面上位機進(jìn)行PLC數(shù)據(jù)處理計算。PLC模塊微處理器型號為S7-200CPU226，可對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲計算，通信模塊選用西門子網(wǎng)絡(luò)拓展模塊，對輸入信號有顯著的抗干擾能力。對于傳感器的選擇要考慮井下實際工作環(huán)境。由于井下環(huán)境潮濕具一定腐蝕效果，且空壓機本身工況要求傳感器具備耐沖擊能力以及耐受高溫的工作環(huán)境。因此對于溫度傳感器選用熱電偶測溫傳感器，優(yōu)點在于適用范圍廣，可靠性較高且較為穩(wěn)定；對于壓力傳感器的選用同樣如此，一般選用彈簧管壓力傳感器，通過彈簧管作為壓力敏感元件對空氣等流體壓力進(jìn)行測量，壓力表選用YTZ-150型號，該型號壓力表可實現(xiàn)對待測壓力的實時測量，并可與通信系統(tǒng)連接對測量信號進(jìn)行實時傳輸，效果較好；最后對于流量計的選取根據(jù)壓縮機的用途不同，流量傳感器的選用也有顯著區(qū)別，對空壓機來說LCX型號流量傳感器可實現(xiàn)對遠(yuǎn)程流量的監(jiān)測以及預(yù)警報警效果，通過安裝在空壓機冷卻管路上，在冷卻管路水流入終端時觸發(fā)報警信號或緊急停機處理?；?qū)λ髁髁吭O(shè)計閥值，流量超出閥值時自動接通報警電路或停機處理[1]。

2.2 傳感器選型設(shè)計

基于空壓機運行時工況特點進(jìn)行傳感器選型設(shè)計，結(jié)合井下復(fù)雜工作環(huán)境對傳感器溫度、振動、壓力參數(shù)進(jìn)行選型處理，如表2所示。

表2 空壓機監(jiān)測系統(tǒng)傳感器選型設(shè)計

1）空壓機的溫度監(jiān)測主要包括對潤滑油溫度以及排氣口溫度進(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℃，測量范圍較大，可實現(xiàn)對潤滑油等溫度的精確監(jiān)測效果；電機溫度監(jiān)測可選用CZ51型號的電機軸承溫度探頭及變送器，它的監(jiān)測溫度范圍在200～1 600℃，溫度信號可轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)二線制4～20 mA的DC電信號進(jìn)行傳輸，使用效果較好。

2）壓力傳感選型設(shè)計。對潤滑油以及空壓機的出口壓力等進(jìn)行監(jiān)測是確?？諌簷C設(shè)備能夠平穩(wěn)高效運行的關(guān)鍵，而對于冷卻水泵以及母管壓力的實時監(jiān)測則可保證水泵的正常運行過程。選取OPEC2088型號的硅擴散壓力變送器進(jìn)行壓力數(shù)據(jù)測量，具有測量精度高、體積小、數(shù)據(jù)測量穩(wěn)定的特點，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)計要求。

3）振動傳感器選型設(shè)計。通過對空壓機電機在運行過程中的振動效果，對空壓機電機進(jìn)行故障監(jiān)測，異常的機械振動是電機發(fā)生故障的前提，因此對電機進(jìn)行振動監(jiān)測可及時發(fā)現(xiàn)電機故障并進(jìn)行維修處理。本系統(tǒng)設(shè)計選用XZD-YB一體化防爆振動變送器來對空壓機的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，監(jiān)測的振動幅度在0～200 μm、0～500 μm、0～1 000 μm；工作電壓為DC24 V，輸出電信號的形式同樣為4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電信號，可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計需要[2]。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括上位機系統(tǒng)程序以及下位機系統(tǒng)程序兩大部分，上位機系統(tǒng)即對控制室數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示處理，發(fā)出報警信號等，要求具備圖像以及語音或報警信號發(fā)出功能，同時也要具備查詢、通信功能，實現(xiàn)對工況實時查明以及指令下達(dá)。軟件設(shè)計界面包括操作人員系統(tǒng)運行界面以及空壓機工況界面等，可實現(xiàn)對空壓機運行狀態(tài)、壓力、流量以及溫度的實時顯示，通過報警指令燈、語音提示等對緊急停機按鍵進(jìn)行操作，可有效降低井下人工巡視記錄數(shù)據(jù)的勞動量；下位機程序包括空壓機工況的數(shù)據(jù)傳輸識別，對存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，設(shè)備運行存在故障時進(jìn)行初步識別，做出是否進(jìn)行預(yù)警處理的指令[3]。符合故障識別指令則執(zhí)行下一階段向上位機傳輸命令，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 下位機程序設(shè)計流程圖

3 運行效果分析

通過對設(shè)計出的空壓機故障監(jiān)測控制系統(tǒng)進(jìn)行測試，對井下3臺空壓機進(jìn)行了現(xiàn)場試驗分析，其具體參數(shù)監(jiān)測值見表3。從表中數(shù)據(jù)可以看出，在該系統(tǒng)實際運行過程中對各參數(shù)的監(jiān)測效果較好，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)測值相近符合實際運行狀況。對空壓機進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控操作大幅降低了井下工作人員的勞動強度，節(jié)省了設(shè)備的維修保養(yǎng)費用，達(dá)到了對空壓機設(shè)備的自動化控制故障監(jiān)測目的，使用效果較好。

4 結(jié)語

基于邏輯控制電子觸電PLC操作系統(tǒng)對空壓機故障監(jiān)測控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性以及工作效率得到了顯著提高，操作界面也更為簡易優(yōu)化，可以實現(xiàn)對空壓機運行狀態(tài)的實時監(jiān)控效果。

表3 空壓機測試參數(shù)