空氣壓縮機(jī)聯(lián)動(dòng)控制和故障診斷報(bào)警系統(tǒng)的分析

潘高峰

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司， 山西 晉城 048000）

引言

隨著我國(guó)工業(yè)4.0 的不斷推進(jìn)，未來(lái)煤礦行業(yè)將朝著數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展。煤礦生產(chǎn)中空氣壓縮機(jī)是其必不可少的關(guān)鍵機(jī)械設(shè)備，空壓機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性直接關(guān)系到整個(gè)煤礦生產(chǎn)的安全和穩(wěn)定，其數(shù)字化和智能化水平會(huì)在很大程度上影響工作效率[1-2]。為了保證空氣壓縮機(jī)的安全性和穩(wěn)定性，目前已經(jīng)發(fā)展出了遠(yuǎn)程控制和故障診斷預(yù)警系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)空氣壓縮機(jī)故障問(wèn)題預(yù)警[3]。另一方面，隨著世界能源局勢(shì)的日益嚴(yán)峻，國(guó)家的節(jié)能減排要求給煤礦行業(yè)造成了極大的壓力。而礦用空氣壓縮機(jī)能源消耗較大，在節(jié)能減排方面大有可為[4]。通過(guò)對(duì)空氣壓縮機(jī)實(shí)施聯(lián)動(dòng)控制，能夠顯著降低其能源消耗，降低其運(yùn)行成本。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的概述

本文所述的礦用空氣壓縮機(jī)聯(lián)動(dòng)控制與故障診斷預(yù)警系統(tǒng)，其整體結(jié)構(gòu)框架為三層集散式，利用PLC 作為控制手段。上位機(jī)利用組態(tài)軟件建立監(jiān)控過(guò)程的顯示畫(huà)面，構(gòu)建空氣壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程數(shù)據(jù)信息庫(kù)為故障診斷服務(wù)，通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)空氣壓縮機(jī)的遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)控制以及運(yùn)行過(guò)程中的故障診斷。下位機(jī)PLC 與上位機(jī)之間通過(guò)RS-485 總線進(jìn)行連接通信，由于本系統(tǒng)為遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，所以上位機(jī)與空氣壓縮機(jī)工作現(xiàn)場(chǎng)之間通過(guò)光纖通信，確保長(zhǎng)距離通訊的穩(wěn)定性和安全性?，F(xiàn)場(chǎng)同樣利用PLC 作為控制手段，利用專(zhuān)業(yè)傳感器采集收集空氣壓縮機(jī)在運(yùn)行工作過(guò)程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并通過(guò)已編好的程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，處理結(jié)果經(jīng)過(guò)RS-485 總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

圖1 空氣壓縮機(jī)聯(lián)動(dòng)控制流程圖

2 礦用空氣壓縮機(jī)聯(lián)動(dòng)控制及其基本原理

在采煤工作過(guò)程中，通常都是多臺(tái)空氣壓縮機(jī)同時(shí)工作才能夠滿(mǎn)足要求。礦用空氣壓縮機(jī)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)其最根本的作用就是將煤礦中所有的空氣壓縮機(jī)進(jìn)行連接，接受所有空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)機(jī)器的聯(lián)動(dòng)控制。系統(tǒng)能夠綜合考慮母管壓力以及每臺(tái)空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)地判斷需要啟停哪些機(jī)器，以此確保在充足供氣的同時(shí)盡可能減少空氣壓縮機(jī)運(yùn)行工作的數(shù)量。利用該聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)可以顯著降低空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行損耗以及能耗，降低運(yùn)行成本，提升經(jīng)濟(jì)效益。如圖1 所示為空氣壓縮機(jī)聯(lián)動(dòng)控制基本流程圖。通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)母管壓力并將其與設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行分析對(duì)比。若檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)母管壓力值較小且未達(dá)到設(shè)定的數(shù)值，那么空氣壓縮機(jī)就按照一定的順序陸續(xù)開(kāi)啟。如果檢測(cè)到的母管壓力值達(dá)到了設(shè)定的數(shù)值，那么空氣壓縮機(jī)就按照啟動(dòng)順序反向陸續(xù)停機(jī)工作。在聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的作用下，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判斷每天空氣壓縮機(jī)的工作時(shí)長(zhǎng)，從而時(shí)間運(yùn)行主機(jī)的自動(dòng)切換。如果某臺(tái)機(jī)器長(zhǎng)時(shí)間工作，那么系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)識(shí)別并且將該機(jī)器停機(jī)，同時(shí)啟動(dòng)其他運(yùn)行時(shí)間較短的機(jī)器。通過(guò)這種聯(lián)動(dòng)機(jī)制，可以避免某些空氣壓縮機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而其他機(jī)器長(zhǎng)期停滯的現(xiàn)象。兩臺(tái)機(jī)器啟動(dòng)的時(shí)間間隔可以通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，同樣的停機(jī)時(shí)間間隔也可以設(shè)置。本系統(tǒng)在第一次運(yùn)行時(shí)，主機(jī)需要通過(guò)人工的方式在系統(tǒng)中進(jìn)行選擇，其他機(jī)器則在主機(jī)啟動(dòng)之后按照一定順序陸續(xù)啟動(dòng)。本系統(tǒng)設(shè)置有緊急停機(jī)按鈕，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)通過(guò)按下該按鈕可停止所有空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行。在操作人員的操作下才可以繼續(xù)后續(xù)的工作，可在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)主機(jī)的自動(dòng)切換，這樣在運(yùn)行主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)能夠根據(jù)相關(guān)的設(shè)置自動(dòng)切換主機(jī)，確保整個(gè)空氣壓縮系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

3 礦用空氣壓縮機(jī)故障診斷預(yù)警功能

3.1 故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)

本文所述的礦用空氣壓縮機(jī)故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)主要由六部分構(gòu)成，分別為知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、人機(jī)接口、推理機(jī)、知識(shí)獲取機(jī)制和解釋機(jī)制[5]。其中知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)是整個(gè)專(zhuān)家系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的內(nèi)容。首先需要通過(guò)傳感器檢測(cè)采集空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)針對(duì)檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和處理，并基于這些數(shù)據(jù)信息判斷空氣壓縮機(jī)的狀態(tài)，推理得到機(jī)器是否可能出現(xiàn)故障問(wèn)題，以及造成這些問(wèn)題的原因?；赑ower Builder 9.0 平臺(tái)搭建空氣壓縮機(jī)故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)，能夠針對(duì)機(jī)器故障開(kāi)展多極化推理，同時(shí)還可以給出推理結(jié)果的可信度信息，并根據(jù)推理結(jié)果給出故障問(wèn)題處理方案[6]。通過(guò)SOL Server 2000 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)來(lái)搭建專(zhuān)家系統(tǒng)中的知識(shí)庫(kù)，并且基于故障樹(shù)分析法來(lái)構(gòu)建故障樹(shù)模型，通過(guò)建立的模型對(duì)空氣壓縮機(jī)潛在的故障進(jìn)行分析診斷和推理。在故障樹(shù)模型中，空氣壓縮機(jī)的系統(tǒng)故障為頂層事件，其推理的順序?yàn)閺纳隙?，從而獲得潛在的系統(tǒng)故障的中間事件類(lèi)型，比如油壓太低、軸承故障等，然后再基于中間事件類(lèi)型進(jìn)一步推理得到底層事件類(lèi)型。例如，中間事件為軸承故障，則底層事件可能為軸承磨損導(dǎo)致間隙太大，甚至可能是軸承出現(xiàn)徹底損壞等。可以看出，在故障樹(shù)模型中，空氣壓縮機(jī)不同故障類(lèi)型之間通過(guò)邏輯門(mén)進(jìn)行連接。故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)綜合考慮機(jī)器的結(jié)構(gòu)特征、功能特征，以及中間的邏輯關(guān)系，建立系統(tǒng)完善的邏輯故障樹(shù)，并且將該推理模型存放在知識(shí)庫(kù)中，推理過(guò)程按照該邏輯故障樹(shù)的邏輯進(jìn)行。

3.2 故障延時(shí)預(yù)警以及報(bào)警死區(qū)

如圖2 所示為空氣壓縮機(jī)故障延時(shí)預(yù)警基本原理圖。虛線表示空氣壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中檢測(cè)到其中一個(gè)參數(shù)達(dá)到預(yù)警值時(shí)的變量曲線，而實(shí)線則表示延時(shí)之后的變量曲線。當(dāng)某一參數(shù)達(dá)到預(yù)警值時(shí)，即t1時(shí)刻，就會(huì)引發(fā)系統(tǒng)報(bào)警，此時(shí)開(kāi)始延時(shí)。延時(shí)時(shí)間為T(mén)，在整個(gè)延時(shí)過(guò)程中，如果該數(shù)值仍然超過(guò)了預(yù)警值，那么系統(tǒng)就確定需要報(bào)警，見(jiàn)圖2-1。如果在延時(shí)時(shí)間T范圍內(nèi)，該數(shù)值降低至預(yù)警值以下，那么系統(tǒng)就會(huì)取消預(yù)警，不會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，見(jiàn)圖2-2。設(shè)置延時(shí)時(shí)間的目的是因?yàn)榭諝鈮嚎s機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中可能受外界因素影響，某些運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，從而超過(guò)設(shè)置的預(yù)警值。但這種波動(dòng)是暫時(shí)性的，不會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成威脅，沒(méi)必要進(jìn)行報(bào)警。例如，空氣壓縮機(jī)在啟動(dòng)的瞬間會(huì)產(chǎn)生非常大的電流，該電流值是其正常運(yùn)行時(shí)電流值的5～8 倍，這種情況下如果不設(shè)置延時(shí)報(bào)警，那么空氣壓縮機(jī)每次啟動(dòng)時(shí)系統(tǒng)都會(huì)進(jìn)行報(bào)警，反而會(huì)對(duì)空氣壓縮系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。

空氣壓縮機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，某些參數(shù)可能在預(yù)警線上下范圍內(nèi)頻繁波動(dòng)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不斷報(bào)警，但報(bào)警很多都是不真實(shí)的，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。基于此，本文所述的故障預(yù)警系統(tǒng)設(shè)置了一個(gè)報(bào)警死區(qū)，該報(bào)警死區(qū)的范圍可以在報(bào)警系統(tǒng)中根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置。如圖3 所示為空氣壓縮機(jī)故障報(bào)警死區(qū)基本原理圖?；驹硎窃谠瓐?bào)警線的基礎(chǔ)上設(shè)置一個(gè)報(bào)警范圍，該范圍稱(chēng)為死區(qū)范圍，超過(guò)死區(qū)范圍系統(tǒng)才會(huì)發(fā)生報(bào)警，當(dāng)機(jī)器運(yùn)行參數(shù)在死區(qū)范圍波動(dòng)時(shí)系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生報(bào)警動(dòng)作。通過(guò)設(shè)置死區(qū)范圍，可以降低很多不必要的錯(cuò)誤報(bào)警行為，提升了空氣壓縮機(jī)預(yù)警系統(tǒng)的可靠性。

圖2 空氣壓縮機(jī)故障延時(shí)預(yù)警基本原理圖

圖3 空氣壓縮機(jī)故障報(bào)警死區(qū)基本原理圖

4 系統(tǒng)上位機(jī)畫(huà)面的構(gòu)建

本系統(tǒng)在上位機(jī)中建立遠(yuǎn)程集控動(dòng)態(tài)畫(huà)面，在畫(huà)面中呈現(xiàn)空氣壓縮機(jī)的整體布局以及虛擬結(jié)構(gòu)，同時(shí)在畫(huà)面中建立模擬仿真的管道開(kāi)機(jī)流動(dòng)動(dòng)畫(huà)。通過(guò)生動(dòng)豐富的畫(huà)面，相關(guān)的操作人員可以快速準(zhǔn)確的掌握整個(gè)空氣壓縮系統(tǒng)的實(shí)際情況，防止出現(xiàn)誤操作行為。在畫(huà)面中設(shè)置所有空氣壓縮機(jī)的啟停按鈕，通過(guò)該按鈕可以實(shí)現(xiàn)積極的遠(yuǎn)程啟停。還創(chuàng)建有單控/聯(lián)控切換按鈕，通過(guò)該按鈕能夠在單機(jī)控制和聯(lián)動(dòng)控制之間進(jìn)行靈活轉(zhuǎn)換，使之更滿(mǎn)足實(shí)際需要。畫(huà)面中還設(shè)置有空氣壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)顯示窗口，該窗口中會(huì)實(shí)時(shí)顯示所有機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，通過(guò)該窗口操作人員能夠?qū)崟r(shí)掌握所有空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行情況。