張 磊

（汾西礦業(yè)靈北煤礦， 山西 晉中 031302）

引言

在礦井煤炭生產(chǎn)過程中，風(fēng)鉆、風(fēng)鎬以及掘進(jìn)機(jī)等多種設(shè)備動力均來源于井下壓風(fēng)，壓風(fēng)系統(tǒng)是確保煤礦井下正常生產(chǎn)的基礎(chǔ)系統(tǒng)之一[1-2]。現(xiàn)階段礦井地面壓風(fēng)機(jī)多采用人工控制方式，即壓風(fēng)設(shè)備運(yùn)行、狀態(tài)監(jiān)測以及參數(shù)設(shè)定等均依靠作業(yè)人員現(xiàn)場控制，此種壓風(fēng)機(jī)控制方式存在效率不高、用工量大以及控制方式落后等問題，不僅難以保證井下壓風(fēng)管路供氣質(zhì)量，而且影響壓風(fēng)機(jī)使用壽命[3-5]。隨著礦井綜合自動化以及智能化建設(shè)的不斷推進(jìn)，PLC 控制技術(shù)在煤礦井下刮板輸送機(jī)、皮帶輸送機(jī)、局部通風(fēng)機(jī)等設(shè)備上的應(yīng)用較為普遍，若將PLC 控制技術(shù)應(yīng)用到地面壓風(fēng)機(jī)控制中，即可實(shí)現(xiàn)壓風(fēng)機(jī)自動化控制[6-7]。為此，本文以山西某礦地面布置的4 臺壓風(fēng)機(jī)為研究對象，提出采用自動化控制系統(tǒng)控制壓風(fēng)機(jī)，依據(jù)井下風(fēng)量使用需求對壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行進(jìn)行控制，并實(shí)現(xiàn)壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測、遠(yuǎn)程集中控制、故障預(yù)警以及運(yùn)行時間控制等，以期大幅提升礦井壓風(fēng)機(jī)自動化水平。

1 山西某礦井下空壓機(jī)概況

山西某礦井下壓風(fēng)通過地面布置的4 臺螺桿壓風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)，布置的壓風(fēng)機(jī)采用微型計算機(jī)控制，并可實(shí)時顯示壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)，具體包括有溫度、壓力、運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、工作時間等，并可實(shí)現(xiàn)故障自動診斷、故障記錄存儲以及預(yù)警等功能。地面布置的4 臺空壓機(jī)均處于相互獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)，各空壓機(jī)獨(dú)立監(jiān)測各種系統(tǒng)壓力，相互之間無信息通信。采用此種控制方式時，會導(dǎo)致各空壓機(jī)機(jī)組運(yùn)行不均衡，不利于空壓機(jī)調(diào)配工作時間、進(jìn)行后期維護(hù)以及管理等。為提高空壓機(jī)工作效率，提高空壓機(jī)自動化控制水平，依據(jù)空壓機(jī)壓力監(jiān)測結(jié)果靈活調(diào)整狀態(tài)，根據(jù)礦井地面空壓機(jī)實(shí)際情況，提出采用自動化系統(tǒng)控制空壓機(jī)運(yùn)行。

2 空壓機(jī)自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

2.1 空壓機(jī)自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

在地面空壓機(jī)房布置的自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括有監(jiān)控PC、監(jiān)測控制柜、流量傳感器、電量參數(shù)模塊、壓力變送器等，監(jiān)控上位機(jī)控制系統(tǒng)依據(jù)動態(tài)網(wǎng)編制。

自動化控制系統(tǒng)核心為S7-200PLC，可實(shí)現(xiàn)對空壓機(jī)的運(yùn)行監(jiān)測與控制。自動控制系統(tǒng)中電量參數(shù)模塊、PLC 擴(kuò)展模塊、模擬量監(jiān)測模塊（EM231）、通信模塊（CP243-1）、傳感器等均采用監(jiān)控柜內(nèi)24 V 電壓供電；PLC 與地面4 臺空壓機(jī)間通過屏蔽電纜實(shí)現(xiàn)通信。自動化控制系統(tǒng)功能包括有空壓機(jī)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測、故障信息監(jiān)測等，并通過通信系統(tǒng)將信息傳輸給控制系統(tǒng)上位機(jī)。具體空壓機(jī)自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 空壓機(jī)自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 空壓機(jī)自動化控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

采用自動化控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)、相關(guān)管線控制閥門間連鎖控制，同時可實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)遠(yuǎn)程啟動、停止以及就地控制。自動化控制系統(tǒng)具備有手動、遠(yuǎn)程自動控制兩種相互獨(dú)立控制模式。手動控制時各臺空壓機(jī)均獨(dú)立運(yùn)行，適宜于空壓機(jī)設(shè)備檢修或者故障隱患排查時使用；遠(yuǎn)程自動控制時地面的4 臺空壓機(jī)可實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)運(yùn)行，可依據(jù)井下壓縮空氣消耗量、管網(wǎng)壓力變化情況控制空壓機(jī)運(yùn)行。當(dāng)井下用風(fēng)量增加、個別空壓機(jī)出現(xiàn)故障以及壓風(fēng)管網(wǎng)壓力下降時，可自動開啟備用空壓機(jī)；當(dāng)用氣量減少時則自動減少地面空壓機(jī)運(yùn)行數(shù)量，不僅可滿足井下壓風(fēng)使用需要，而且可降低空壓機(jī)整體能耗。具體空壓機(jī)自動化控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)流程如圖2 所示。

圖2 空壓機(jī)自動化控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)流程

為平衡各臺空壓機(jī)運(yùn)行時間，并增強(qiáng)空壓機(jī)使用壽命，自動控制系統(tǒng)對空壓機(jī)控制時按照“先開先停、先停先開”原則，盡量保持各空壓機(jī)使用時間相近。采用通信系統(tǒng)以及相關(guān)監(jiān)測傳感器對空壓機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，具體運(yùn)行參數(shù)包括有管內(nèi)壓力、排氣溫度、排氣壓力、管內(nèi)流量、空壓機(jī)電流及電壓等，監(jiān)測參數(shù)會實(shí)時傳輸給監(jiān)控上位機(jī)，并提供報警信息查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢以及監(jiān)測報表打印等服務(wù)。

在人機(jī)交互界面或者監(jiān)控上位機(jī)可實(shí)時顯示空壓機(jī)故障、壓力、溫度、電流及電壓等監(jiān)測曲線，并可通過監(jiān)測曲線變化對空壓機(jī)運(yùn)行狀況進(jìn)行分析。當(dāng)監(jiān)測到管網(wǎng)壓力降低至預(yù)警值以內(nèi)且無法及時升壓，空壓機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)故障時，自動化控制系統(tǒng)即會發(fā)出故障報警，具體空壓機(jī)故障曲線如圖3 所示。

圖3 空壓機(jī)故障監(jiān)測曲線

2.3 空壓機(jī)自動化控制系統(tǒng)通信方式

觸摸屏、PLC 等均布置在空壓機(jī)監(jiān)控柜內(nèi)，由于通信距離短，為此選用的通信方式為MPI，PLC 與各空壓機(jī)間采用MODEBUS 方式、與監(jiān)控中心間采用以太網(wǎng)通信方式。

3 自動化控制平臺

具體控制系統(tǒng)自動化控制平臺界面如圖4 所示，控制平臺通過King SCADA 軟件實(shí)現(xiàn)控制指令以及監(jiān)測參數(shù)傳輸。在控制平臺內(nèi)設(shè)計有賬戶管理、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢、運(yùn)行控制等多種操作界面，可實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)運(yùn)行自動化監(jiān)測以及控制。在空壓機(jī)監(jiān)控柜內(nèi)的PLC 控制系統(tǒng)將監(jiān)測獲取到的各參數(shù)通過MODEBUS 方式傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)首先會關(guān)聯(lián)各數(shù)據(jù)變量，然后對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

圖4 自動化控制平臺操作界面示意圖

通過采用自動化控制平臺，操作人員在監(jiān)控中心可實(shí)時掌握壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況，并遠(yuǎn)程控制空壓機(jī)運(yùn)行。

4 結(jié)語

為提高礦井地面空壓機(jī)運(yùn)行效率并實(shí)現(xiàn)對空壓機(jī)遠(yuǎn)程控制，文中結(jié)合山西某礦實(shí)際情況基于PLC構(gòu)建一種空壓機(jī)自動化控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測、遠(yuǎn)程集中控制、故障預(yù)警等。在該礦進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用后，該自動化控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠，可大幅提升空壓機(jī)運(yùn)行自動化控制水平。通過在礦井采用空壓機(jī)自動化控制系統(tǒng)，可在一定程度上降低空壓機(jī)故障發(fā)生率以及后續(xù)故障處理時間，為自動化、智能化礦井構(gòu)建奠定一定基礎(chǔ)。