空压机监控保护系统设计研究

王丽慧

（晋能控股集团永定庄煤业公司， 山西 大同 037042）

引言

矿用空压机作为煤炭生产过程中的重要动力供给设备，其安全可靠运行对企业高效、安全生产至关重要。现阶段，大多数井下空压机设备较为老旧、操作烦琐、自动化程度低，再加上设备使用时间较长，设备部件老化较为严重，故障发生较为频繁，使得井下空压机与供风系统的正常使用影响较大。同时，由于矿井对空压机的数据监测较为落后，大多采用人工巡检与记录的方式，使得管理人员对空压机的运行状态了解不及时，排除故障措施实施也相对滞后，严重影响企业生产效率[1-5]。针对这一现象，本文提出矿用空压机监控保护系统设计研究，运用现代化控制技术的方法，实现空压机的自动控制、实时监测。

1 空压机结构分析

空压机是利用机械运动将气体压缩并排出的气动系核心设备，已广泛应用于现代工业各个领域。空压机种类繁多，本文以螺杆式空压机为主要研究对象。螺杆式空压机主要由三大部分组成，具体包括驱动电机、压缩机机头及辅助系统，其中辅助系统又由四大部分组成，包括油路系统、气路系统、电气控制回路系统及冷却回路系统。空压机的具体工作流程示意图如图1 所示。空压机主要是通过阴阳螺杆的转动完成空气吸入的，空气经过滤器过滤后会进入空压机机体内部，电动机提供的动力会将空气压缩，压缩后的空气经过油气桶后会形成油气的混合体。油气混合体经油气分离器分离后，就可产生压缩空气与润滑油。润滑油经冷却、过滤后循环使用，压缩空气经冷却后存入储气罐。

图1 空压机工作流程示意图

2 空压机监控保护系统总体设计

对空压机的生产过程与结构进行综合分析后发现，空压机的监控保护系统应具备的功能主要应该有集散控制、工况监测、自动运行与联动控制、综合保护、数据记录与查询、故障诊断与显示功能及空压机联网监控[6-8]。

空压机监控保护系统设计按控制方式分类，一般可分为集中式与分布式两种，而按控制核心的不同又可分为单片机控制、PLC 控制及计算机控制三种。最常见的为集中式与以单片机、PLC 为核心的分布式。其中，集中式由于控制中心只有一个工控机，故当工控机发生故障时就会使整个系统发生瘫痪，使系统运行可靠性大大降低，故该方案不适合；以单片机为主的分布式系统虽具有灵活性强、响应速度快、功能强大等特点，但由于其开发周期长、抗干扰能力弱、开发难度大等缺点，也不适合于该系统设计；以PLC 为核心的分布式系统具有功能强大、运算力强、智能化程度高、通信力强及易开发、抗干扰强、模块化等特点，适合于该系统的设计研究。

空压机监控保护系统主要由监控分站与监控主机两部分组成。其中，监控分站又由监控控制柜与传感器、智能仪表、控制器组成。按分布式结构可将系统分为现场测控层、中间管理层及远程监控层三部分，其具体结构示意图如下页图2 所示。现场测控层主要由智能控制器、冷却水阀、电机及传感器等组成，主要作用为采集现场数据与执行控制命令；中间管理层主要由人机界面、PLC、煤矿环网接入器及光纤收发器组成，其主要作用是进行数据传输，接收下层数据并作出回应，同时将下层数据上传并显示；远程监控层主要为监控中心的监控主机，监控主机接收中间管理层数据并显示，同时对现场设备发出指令控制系统运行。

图2 空压机监控保护系统总体结构设计示意图

3 空压机监控保护系统硬件设计

3.1 PLC 的设计选型

PLC 主要是由微处理器、存储单元、I/O 接口、扩展单元、通信单元及电源模块组成。PLC 主要是通过程序执行实现控制的，工作方式主要为集中的输入与输出，循环周期扫描，程序顺序执行。PLC 控制器中，以CPU 为控制核心，负责程序执行、状态诊断、数据存储；储存器主要是对程序及其他信息的存储；I/O 接口主要是进行运行数据监测并进行数据传输；通信单元主要功能为实现设备与PLC 的通信；电源为系统的能源提供模块。依据空压机监控保护系统的实际需求，本文选用SIEMENS 公司的S7-200PLC，该控制器功能强大、抗干扰能力强、运算速度高，符合空压机监控保护系统设计要求。

3.2 变频器的设计选型

变频器的主要作用为将恒定的频率与电压的电源变为可调的频率与电压。通常情况下，变频器的工作方式选择交- 直- 交的方式，其电路组成示意图如图3 所示。变频器主电路主要由整流电路、中间电路、逆变电路及控制电路组成，其中，整流电路通常由三相全波整流桥组成，主要是将交流电压转变为直流电压；中间电路的主要作用为对整流电路的输出电流进行滤波处理，使后续电路得到高质量电源；逆变电路为整流电路的逆电路，主要是将直流电压转变为交流电压；控制电路为变频器电路的核心电路，主要是将检测信号传输至运算电路，并将运算电路的指令传输出去。依据空压机监控保护系统的实际需求，变频器本文选择BPJ7 型矿用变频器[9-11]。

图3 变频器电路组成示意图

3.3 传感器的设计选型

在空压机监控保护系统中，需要用到的传感器包括压力传感器、温度传感器、振动传感器及烟雾报警传感器。经分析，压力传感器选择GPD10 型矿用压力传感器；温度传感器选择SWP100 型温度传感器；振动传感器选择GC20 型振动传感器；烟雾报警传感器选择GQQ0.1 型烟雾报警传感器。

4 空压机监控保护系统软件设计

空压机监控保护系统软件设计主要包括PLC 程序设计与组态软件设计两部分。其中，西门子公司的S7-200 PLC 控制器程序设计采用STEP7 软件进行设计；组态软件则采用MCGS 软件进行设计，其软件系统组成示意图如图4 所示。PLC 的程序设计主要包括数据采集、逻辑控制、故障预警以及空压机轮值四个模块。MCGS 程序设计分为通用版上位机设计、触摸屏嵌入版设计以及网络版网络功能设计三部分。其中，通用版上位机设计主要是实现上位机对系统的全面控制；触摸屏嵌入版设计为对现场设备的就地监控；网络版网络功能设计为通过以太网实现多台主机的监测与控制授权。

图4 MCGS 软件系统组成示意图

5 系统测试

按上述方案进行空压机监控保护系统软硬件设计并进行系统测试后发现，空压机操作方法得到了简化，空压机监控保护系统PLC 控制器、变频器以及各类传感器运行平稳，配合合理，空压机的自动控制符合要求。采用150 个空压机测试样本包括空压机温度过高、压力过大、冷却系统故障、设备部件损坏、电气系统损坏等数据信息进行实时监测实验发现，空压机状态监测准确率为100%，未发生监测与样本不符的情况。统计故障排除时间并进行前后对比，故障排除效率显著提高，符合空压机监控保护系统的设计要求。

6 结论

1）空压机监控保护系统选择以PLC 为核心的分布式系统较为合适。

2）通过空压机监控保护系统的软硬件设计并进行相应测试后发现，系统运行稳定，实现了自动化控制，监测准确率为100%，提升了设备使用效率，符合相关设计要求。