王 銓

（山西大同永定莊煤業(yè)公司， 山西 大同 037024）

引言

空氣壓縮機(jī)是保障煤炭開采效率的動力性設(shè)備，也是確保安全生產(chǎn)的保障性設(shè)備。目前，常用的空壓機(jī)控制方式有開關(guān)閥控制空氣壓力、電機(jī)起停控制壓力以及電機(jī)變頻控制壓力三種[1]。大部分礦井使用的壓縮機(jī)控制方法還是手動操作控制或者是獨(dú)立式控制，不僅無法實(shí)現(xiàn)對壓縮機(jī)的集中控制。因此需要破除各個(gè)控制系統(tǒng)的屏障，實(shí)現(xiàn)集中式控制的目的[1-2]。

1 MLC-27.7-12.5-220P 型礦井空壓機(jī)簡介

MLC-27.7-12.5-220P 型空壓機(jī)是目前煤礦常用的主力空壓機(jī)型號，其整體結(jié)構(gòu)能適應(yīng)礦井惡劣的環(huán)境。在礦井中使用具備振動小、噪音小、可維護(hù)性高等優(yōu)點(diǎn)符合礦井內(nèi)機(jī)械設(shè)備使用的安全性。通過陰、陽轉(zhuǎn)子之間的相互擬合在潤滑油的機(jī)理作用下實(shí)現(xiàn)了精密契合[3]，防止了液、氣體的泄漏，在提高效率方面有積極作用。

MLC-27.7-12.5-220P 型空壓機(jī)通常分為單模桿型和雙螺桿型[4]。以最常用的雙螺桿型為研究對象，通過雙螺桿之間的相互作用實(shí)現(xiàn)了動平衡，在后期日常維護(hù)方面具有較大的便捷性。雙螺桿型整體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1 所示。

2 空壓機(jī)控制系統(tǒng)簡介

大多數(shù)煤礦常采用5 臺空壓機(jī)，用并聯(lián)的方式進(jìn)行控制連接。目前大多數(shù)系統(tǒng)以三菱FX-2n 和施耐德PLC 作為核心驅(qū)動部件[5]，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的啟動、停止、保護(hù)、分析等核心功能。通常不同位置的封壓機(jī)采用不同型號的PLC 進(jìn)行控制，并且通過預(yù)留接口的方式實(shí)現(xiàn)變頻器的接入。通過以水冷系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，如圖2 所示。

圖1 雙螺桿型空壓機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 礦井水冷系統(tǒng)示意圖

圖2 中 1 號、2 號、3 號壓縮機(jī)采用的是施耐德PLC 進(jìn)行控制，而4 號和5 號壓縮機(jī)是在用三菱PLC 進(jìn)行控制。施耐德PLC 和數(shù)據(jù)接口更多，更容易實(shí)現(xiàn)后期的擴(kuò)展。三菱PLC 主要是實(shí)現(xiàn)對外部電路的控制，執(zhí)行上位機(jī)的電流信號，使得壓縮機(jī)在排氣過程中壓力保持正常。

3 集中式控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

MLC-27.7-12.5-220P 型空壓機(jī)現(xiàn)有的控制系統(tǒng)為單個(gè)獨(dú)立控制，分別由每臺PLC 進(jìn)行一對一的系統(tǒng)控制[6]，并且只提供手動的操作方式，發(fā)生操作失誤率的概率較高。同時(shí)，每個(gè)空壓機(jī)并非同一時(shí)間啟動工作，均會留1～2 個(gè)空調(diào)機(jī)作為備用狀態(tài)。當(dāng)工作的空壓機(jī)供氣壓力不足時(shí)，將通過手動的方式啟動其余停止的空壓機(jī)。

因此，為了實(shí)現(xiàn)集中控制，應(yīng)首先建立起空壓機(jī)與核心PLC 的通訊網(wǎng)絡(luò)，能夠遠(yuǎn)程的操控空壓機(jī)。在布置硬件后應(yīng)對上位機(jī)軟件進(jìn)行編寫，能夠?qū)崟r(shí)顯示各個(gè)位置空壓機(jī)反饋回來的數(shù)據(jù)信息，包括回水、電機(jī)、氣的溫度和壓力。在設(shè)計(jì)新控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)同時(shí)保留遠(yuǎn)程控制和手動操作的兩種方式，使得整體系統(tǒng)能夠靈活便捷。整體集中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖，如圖3 所示。

圖3 新型集中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

4 集中式控制系統(tǒng)硬件選型與軟件設(shè)計(jì)

4.1 硬件選型

通過對新型集中控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將進(jìn)一步確定系統(tǒng)的硬件選型以及軟件的應(yīng)用。通常將PLC 看做一個(gè)功率較大的繼電器，缺乏輸出命令的功能，因此應(yīng)該選用可以輸出命令的可編程控制器。以西門子S7-300 型的控制器取代原有每個(gè)獨(dú)立控制的PLC 型號，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的集中化控制。

新型集中式控制系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，并且增加了溫度傳感模塊。其中西門子S7-300 型的控制器的選型為CPU315-2PN/DP，該型號的CPU 采用了DP 通信接口，并且應(yīng)用了先進(jìn)的MPI 支持協(xié)議，各種數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸，減小了有線輸出，避免了網(wǎng)絡(luò)接口容易故障的問題。

數(shù)據(jù)I/O 接口模塊的輸入電壓設(shè)定為24 V，同時(shí)配備DC/AC 兩種同步輸入模式。其中DC 采用的是16 點(diǎn)輸入，AC 采用8 點(diǎn)輸入，可以在輸出過程中將數(shù)據(jù)分成若干組分。除了數(shù)字量的轉(zhuǎn)換外，模擬量的輸入采用8AI×l6 位模塊。AI 模塊的型號為SM331，一共有4 檔的響應(yīng)時(shí)間分別為2.5 ms、16.5 ms、21 ms 和l10 ms。模擬量輸出模塊將與電流變送器進(jìn)行連接，整體連接示意圖如圖4 所示。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

由于選用的是西門子S7-300 型控制器，在軟件方面應(yīng)根據(jù)適配原則選取Step7 的西門子編程軟件。由于硬件和軟件之間的適配性不需要增加modem 支持，同時(shí)對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。選用PROFIBUS 型號的數(shù)據(jù)通訊的總線技術(shù)，根據(jù)該型號的協(xié)議結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)連接器將直接通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至DP 層。

圖4 SM331 與電流變送器連接示意圖

在軟件物理層設(shè)置4 個(gè)變頻器地址，并將總線分站的總數(shù)設(shè)置為11。通過對各個(gè)分站的通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)置，將集中控制系統(tǒng)的通訊模塊布置到每個(gè)變頻信號發(fā)出點(diǎn)，如圖5 所示。

圖5 控制分站通訊模塊地址分配示意圖

5 集中式控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

如圖6 所示，利用WinCC 編寫的集中式控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控畫面，主畫面中顯示5 臺壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行參數(shù)，包括電流、頻率、各種故障保護(hù)、風(fēng)包溫度、水泵運(yùn)行狀態(tài)等。同時(shí)每臺壓風(fēng)機(jī)都有一個(gè)獨(dú)立按鈕，當(dāng)需要控制1 臺壓風(fēng)機(jī)時(shí)，按下按鈕，就會彈出每臺壓風(fēng)機(jī)的控制界面，同時(shí)水泵界面也是獨(dú)立彈出控制界面，完成水泵的啟動停止。

通過軟、硬件的設(shè)計(jì)，對分站的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控，如下頁圖7 所示。四號壓風(fēng)機(jī)的控制界面，界面中由啟動、停止、加載按鈕，啟動、停止?fàn)顟B(tài)顯示、電機(jī)電流、電機(jī)溫度、機(jī)頭溫度、變頻器中IGBT 溫度、排氣壓力、各類溫度顯示等。同時(shí)把各類數(shù)據(jù)信息以曲線的方式顯示在界面中，一旦壓風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障，可以隨時(shí)查詢數(shù)據(jù)曲線，分析故障原因。遠(yuǎn)程啟動、停止時(shí)，使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕，就可完成相應(yīng)操作，同時(shí)觀察壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)，啟動正常后，點(diǎn)擊加載按鈕實(shí)現(xiàn)壓風(fēng)機(jī)帶載工作。

圖6 上位機(jī)監(jiān)控畫面圖

圖7 分站四號空壓機(jī)的監(jiān)控示意圖

6 結(jié)語

通過對MLC-27.7-12.5-220P 型空壓機(jī)集中式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)的模糊PID 控制，便于礦井人員能夠集中對空壓機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集和分析，提高了故障處理效率。