馮屯生

(山西潞安集團 余吾煤業(yè)有限責任公司，山西 長治 046000)

空壓機作為壓縮空氣的設備，廣泛應用于化工、礦山、冶金、電力、紡織等各種行業(yè)。隨著礦井生產技術的快速發(fā)展和裝備水平的不斷提高，高產高效綜合機械化采煤工作面不斷涌現，與其配套的多巷道同時掘進采煤工藝得到了廣泛應用，同時也對空壓機智能化控制提出了更高的要求。以余吾煤業(yè)空壓機為分析對象，盡管目前該礦井中空壓機設備采用了先進的局部集成控制系統，但不能遠程控制，而且沒有數據記錄和后臺分析管理功能，管理和調度人員無法及時了解空壓機的運行狀況、能耗和能效情況，更無法在緊急狀態(tài)時對其進行操控。

因此，研究智能群控節(jié)能系統，對空壓機的運行狀態(tài)、運行環(huán)境、能耗情況進行實時、準確地監(jiān)測，對促進煤礦安全生產、提高生產效益有著重要意義。

1 余吾煤業(yè)空壓站現狀及存在問題分析

1.1 空壓站現狀分析

余吾煤業(yè)公司壓風系統采用分區(qū)供風方式，分為中央區(qū)，北風井、南風井壓風系統。其中，北風井空氣壓縮機站2010年完成安裝調試，配備2臺LS25S-300HAC型和3臺LS20-150HAC型空氣壓縮機。南風井空氣壓縮機站2013年建設完成并投入使用，裝備5臺SA-250A-10KV型螺桿式空氣壓縮機，為南風井采區(qū)服務。該礦井空壓機直接運行成本統計結果見表1。結果顯示：隨著采掘延伸，空氣壓縮機運行效率降低，維護費用逐年遞增，運行成本大幅增加。

表1 余吾煤業(yè)礦井空壓站直接運行成本統計 單位:萬元

1.2 當前存在問題分析

該煤礦空壓機存在較多問題，主要包括以下幾點：

1) 單臺螺桿空壓機效率偏低，能耗較高；

2) 螺桿空壓機加、卸載頻繁；

3) 空壓機管理不到位，維保不到位，費用偏高；

4) 機器性能衰減嚴重，產氣量達不到設計要求；

5) 系統壓力設置偏高，波動較大；

6) 自動化水平低，不能按照生產需求及時調整供氣量；

7) 系統設計不合理，設備運行難以優(yōu)化，缺少調節(jié)手段；

8) 設備管理層缺少有效的監(jiān)督手段；

9) 缺少有效的能耗監(jiān)測和能源管理手段。

造成螺桿空壓機效率下降、能耗高的因素有很多，如進氣濾芯和油氣分離器堵塞等，而監(jiān)測進氣負壓和油路壓差，則可避免上述原因造成的問題。

通過對該礦井中現有的監(jiān)控系統進行測試可知，壓縮空氣需求變化較大且頻繁，造成壓力波動，運行工需頻繁調整，勞動強度較大，采用空壓機智能群控節(jié)能控制系統的智能控制可改善此種狀況。監(jiān)控平臺運行界面及限時流量如圖1、圖2所示。

圖1 現有礦井空壓站監(jiān)控平臺示意

圖2 現有礦井中空壓機限時流量運行曲線圖

針對余吾煤業(yè)空壓站現狀，充分利用現在先進的云端智能控制技術，通過對空壓機群云端監(jiān)控、智能控制技改后，大部分問題可通過空壓機智能群控節(jié)能系統解決。

2 空壓機智能群控節(jié)能控制系統的設計

2.1 實施技術路線設計

控制系統通過軟硬件相結合監(jiān)測整個站房數據，通過采集設備的實時壓力、流量、功率、溫度、空油濾的壓差、軸承的溫度及保養(yǎng)后運行時長等數據，及時發(fā)現問題，對采集數據進行理論分析研究，通過模擬和現場實驗來確定空壓機智能群控節(jié)能控制系統的邏輯架構、控制策略、參數設置、預警提醒等功能，使系統通過模糊運算、智能研判，做出相應的調整、優(yōu)化。實現設備最優(yōu)控制，使每臺設備都運轉在最經濟、高效的區(qū)間。

2.2 總體方案設計

節(jié)能控制系統主要由多組空壓機、流量計、電能表、攝像頭、工控電能、云平臺、云盒、PC或手機端等組成，系統至少能控制5組以上的空壓機，配套了5組流量計及電能表，可實現對空壓機消耗電量的控制及顯示。通過工控機采集各臺空壓機和儀器、儀表的數據。在空壓站內安裝兩個攝像頭。通過安裝4G云盒模塊采集現場各種參數，控制指令上傳至云平臺進行雙向傳輸。

通過此系統，能實現對整個監(jiān)控站流量、實時功率、累計流量、累計電量等關鍵參數的實時監(jiān)測及控制?？諌簷C智能群控節(jié)能控制系統框架圖如圖3所示。此系統具有控制精度高、數據采集實時準確、節(jié)能效果好等特點，能滿足對空壓機的節(jié)能控制需求。

圖3 控制系統組成框架圖

2.3 集控系統設計

2.3.1 工業(yè)電腦匹配設計

工業(yè)電腦是整個系統的控制中心。設計系統時，考慮在空壓站操作室安裝1臺工業(yè)計算機采集各臺空壓機和儀器儀表的數據。選用臺灣研華工控機，機箱型號為IPC-610-BTO，主板型號為AIMB-501G2-KSA2E(工業(yè)級母版)，CPU采用I5-2400，內存設計為4G，硬盤為1 T，顯示器選用飛利浦的223V5L型，設置了10個串行通信接口(com1-com10)，2個以太網口。該工業(yè)電腦與整個系統進行匹配應用，能更好地實現空壓機的節(jié)能控制及顯示。

2.3.2 電能表匹配設計

為更好地掌握每臺空壓機的用電量，需給每臺空壓機匹配1臺具有通訊功能的電能表，型號為DSZ71-100V。由于本站選用的空壓機均選用10 kV的高壓電機，故將電能表安裝在每臺空壓機的高壓配電柜內。將10 kV的高壓經過電壓互感器和電流互感器轉換為100 V和0～5 A的電流接入電能表。同時，和上位機(工控機)進行通信連接，可監(jiān)測每臺空壓機的實時能耗及用電情況。

2.3.3 云盒及視頻攝像頭匹配設計

安裝4G模塊，將現場采集的各種參數和控制指令上傳至云平臺進行雙向傳輸。在空壓站內安裝兩個杭州?？低旵3WN攝像頭，在對各項數據監(jiān)控的同時做到對站內的情況進行實時視頻監(jiān)控可以在遠端通過電腦端和手機端實時查看空壓站的情況。排除安全隱患，保障安全生產。

2.4 風機空壓站匹配設計

空壓站中匹配了5臺參數一致的空壓機，型號為SA250A-10K螺桿空壓機，排氣量為42.0 m3/min，額定/最大排氣壓力：0.7/0.75 MPa，機組輸入比功率：6.2 kW/(m3/min)，電機功率為250 kW?？諌簷C采用日本三菱的FX2N-32MR PLC為控制核心，配有兩個模擬量輸入模塊，分別為FX2N-4AD和FX2N-4AD-TC，用于采集設備的壓力、溫度和電流信號。另外每臺空壓機還配有1個FX2N-485ADP通信模塊，用于和上位機485通信?？諌簷C有3種工作模式，分別是一般運行、低用量運行和自動運行。

3 效果分析

為驗證此節(jié)能控制系統的綜合性能，對實際應用和相關數據進行了實時監(jiān)測。監(jiān)測結果顯示：整個系統運行正常，能實時、快速地監(jiān)測、顯示空壓機各類參數將相關數據信息進行大數據匯總分析，實現了降本節(jié)能。據測算，在系統運行時，通過監(jiān)測進氣口負壓變化確定空氣濾芯清潔或更換時間、油濾芯和油氣分離器前后端的壓力變化確定檢修或更換時間，大幅度延長了維保耗材的使用壽命，減少了維保費用。每臺空壓機每年可節(jié)省維保費用1.2萬元左右，同比降低15%。此系統實現了設備的精益化管理，有效規(guī)避了設備運行管理中的大部分不合理現象，每臺空壓機每年可節(jié)省10～25萬元電費，同比降低了10%～25%.由于此系統實現了無人值守作業(yè)，顯著降低了工人的勞動強度，可節(jié)省40%的人工費用。

此系統的成功應用，不僅為企業(yè)帶來較大的經濟效益，也有效助力了智能化礦井的建設，實際應用價值較大，具有推廣應用價值。

4 結 語

為解決余吾煤業(yè)空壓機設備存在的問題，開展了空壓機智能群控節(jié)能控制系統的優(yōu)化升級設計研究。通過實際應用效果分析得出：該系統運行狀態(tài)良好，智能化程度高，為企業(yè)節(jié)約了將近15%的維保費用、40%的值守人工費用、10%～25%的電費，有效助力了智能化礦井的建設，值得推廣。