空壓機(jī)檢測(cè)與控制系統(tǒng)的研究

趙丞達(dá)

（華陽集團(tuán)一礦，山西 陽泉 045000）

引言

壓風(fēng)系統(tǒng)是礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分之一，其為風(fēng)鎬、氣錘、氣動(dòng)鑿巖機(jī)等風(fēng)動(dòng)機(jī)械設(shè)備提供動(dòng)力，由空氣壓縮機(jī)、空氣過濾器、安全保護(hù)裝置等組成[1]?？諝鈮嚎s機(jī)（簡(jiǎn)稱為“空壓機(jī)”）是壓風(fēng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，能夠?qū)⒖諝鈮嚎s并運(yùn)送，同時(shí)能降低設(shè)備溫度，提供空氣壓力動(dòng)力[2]。因此，建立穩(wěn)定、高效的空氣壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)重要的研究課題。近年來，國(guó)內(nèi)外專家在空氣壓縮機(jī)的自動(dòng)化方面開展了大量的研究工作，并取得了優(yōu)秀的研究成果。如國(guó)外研發(fā)的PDM 3000型空氣壓縮機(jī)在線實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)[3]，能夠?qū)崟r(shí)顯示空壓機(jī)的重要參數(shù)，同時(shí)發(fā)出啟動(dòng)、關(guān)閉、停機(jī)或報(bào)警等預(yù)警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)的高效自動(dòng)化管理，大幅度降低了人力成本；國(guó)內(nèi)如哈爾濱工程大學(xué)丁才發(fā)教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的SACDS 空壓監(jiān)控系統(tǒng)[4-5]，能實(shí)現(xiàn)熱力、振動(dòng)、電流等80 多個(gè)參數(shù)的在線監(jiān)控。綜上所述，空壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用是未來礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵。本文以通礦集團(tuán)大成礦在用空壓機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了空壓機(jī)的自動(dòng)化監(jiān)控方案，該方案基于PLC、觸摸屏和組態(tài)軟件對(duì)空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并提供空壓機(jī)的啟動(dòng)、停止和報(bào)警等控制操作，保證空壓機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 空壓機(jī)檢測(cè)與控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 傳感器的選擇

由于監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用是檢測(cè)空壓機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，如排氣溫度、排氣壓力、主機(jī)電壓和電流、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和電機(jī)振動(dòng)，因此傳感器的性能將直接影響監(jiān)控效果。本文重點(diǎn)討論了溫度傳感器、壓力傳感器、電動(dòng)機(jī)參數(shù)采集模塊與互感器和電動(dòng)機(jī)振動(dòng)傳感器的選擇。

1.1.1 溫度傳感器

常用的溫度傳感器有熱電偶溫度計(jì)、液體膨脹式溫度開關(guān)和固體膨脹式溫度開關(guān)3 種，其中固體膨脹式溫度開關(guān)適用于100 ℃以下的溫度檢測(cè)，液體膨脹式溫度開關(guān)多在100～250 ℃的溫度范圍內(nèi)使用，而熱電偶溫度計(jì)適合250 ℃以上溫度的測(cè)試。當(dāng)空壓機(jī)內(nèi)溫度超過1 100 ℃時(shí)，空壓機(jī)需停機(jī)報(bào)警，因此本文選擇熱電偶型傳感器，溫度檢測(cè)元件為ZSBWR 一體化數(shù)顯溫度變送器。

1.1.2 壓力傳感器

空壓機(jī)的正常運(yùn)行需滿足以下兩個(gè)條件：一是保證潤(rùn)滑油壓力在一定范圍內(nèi)，若壓力超過0.17 MPa時(shí)，空壓機(jī)啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)壓力下降至0.14 MPa 時(shí)，空壓機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。二是空壓機(jī)的出口排氣壓力要保持在一定范圍內(nèi)，若壓力超過0.75 MPa，空壓機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，這一措施的目的是防止壓力過大造成機(jī)器損壞。本文采用MB420 智能壓力變送器監(jiān)控潤(rùn)滑油壓力和出口排氣壓力。

1.1.3 電動(dòng)機(jī)參數(shù)采集模塊和互感器

本文采用EDA9033A 三相電參數(shù)采集模塊，能夠直接采集電動(dòng)機(jī)的三相電流，三相電壓，三相有功功率、無功功率及功率因數(shù)，具有方便快捷、安全系數(shù)高、成本低等優(yōu)勢(shì)。根據(jù)主機(jī)電流的大小選擇合適的互感器，互感器包括C-26、C-30 和C-64 三種類型。C-26的內(nèi)徑為26 mm，電流范圍為0～300 A；C-30的內(nèi)徑為30 mm，電流范圍為0～400 A；C-64的內(nèi)徑為64 mm，電流范圍為0～1 000 A。根據(jù)本文主機(jī)電流大小，最終選擇電流范圍為0～300 A的C-26型。

1.1.4 電動(dòng)機(jī)振動(dòng)傳感器

電動(dòng)機(jī)振動(dòng)的正常與否是判斷設(shè)備是否需要停機(jī)維修或保養(yǎng)的重要依據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻率為4.5 mm/s，根據(jù)振動(dòng)頻率，從而確定電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。本文選擇BVM-200B 一體化型振動(dòng)變送器，能夠監(jiān)控包括機(jī)殼、軸瓦、軸系等在內(nèi)的振動(dòng)形式。

1.2 PLC的選擇

傳統(tǒng)的礦井空壓機(jī)采用繼電器控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)控制線路復(fù)雜、工作人員操作難度大、維護(hù)不便、成本昂貴，嚴(yán)重影響了煤礦的高效生產(chǎn)。而PLC 控制系統(tǒng)將繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)三者完美結(jié)合，具有功能強(qiáng)大、抗干擾性高和可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。PLC 作為監(jiān)控系統(tǒng)的核心，采用3 層集散的結(jié)構(gòu)框架，由數(shù)字量和模擬量的模塊采集空氣壓縮機(jī)的傳感器等信息，啟動(dòng)編譯程序，輸入采集信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，最終啟動(dòng)相關(guān)指令。PLC的選擇應(yīng)滿足以下3 個(gè)條件：PLC 機(jī)型與目標(biāo)任務(wù)相匹配；數(shù)據(jù)處理速度足夠快，滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控要求；PLC 機(jī)型應(yīng)保持一致。經(jīng)過比較和篩選，本文選用西門子生產(chǎn)的S7-200 系列的224XP-PLC。為保證足夠的計(jì)算容量，經(jīng)過計(jì)算輸入點(diǎn)數(shù)為14，輸出點(diǎn)數(shù)為10。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的要求確定系統(tǒng)的輸入和輸出設(shè)備。本文對(duì)3 臺(tái)空氣壓縮機(jī)進(jìn)行了檢測(cè)和控制，輸入設(shè)備包括14 個(gè)按鈕開關(guān)，10 個(gè)模擬量輸入，輸出設(shè)備為25 個(gè)控制繼電器。

2 空壓機(jī)檢測(cè)與控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

空壓機(jī)檢測(cè)與控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)和下位機(jī)程序設(shè)計(jì)兩部分。下位機(jī)程序包括控制系統(tǒng)主程序、A/D 轉(zhuǎn)換子程序和3 個(gè)空壓機(jī)的報(bào)警子程序。此外，自動(dòng)化控制方案的創(chuàng)新之處在于添加了觸摸屏，便于人機(jī)交流。觸摸屏的設(shè)計(jì)是在Easy Builder 8000 軟件中完成的，根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視內(nèi)容確定觸摸屏的參數(shù)畫面。參數(shù)設(shè)置完成后，將觸摸屏連接至PLC 和上位機(jī)，最終在觸摸屏上可以實(shí)時(shí)顯示空氣壓縮機(jī)的狀態(tài)參數(shù)，同時(shí)操作人員可以通過按鈕控制開關(guān)量，對(duì)用戶現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量觀察系統(tǒng)及設(shè)備的性能具有很重要的作用。上位機(jī)程序通過組態(tài)軟件進(jìn)行編譯，組態(tài)主畫面能夠進(jìn)行相應(yīng)控制操作，同時(shí)以圖像或?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)的形式顯示空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和監(jiān)測(cè)參數(shù)值。

考慮到用戶需要根據(jù)參數(shù)變化趨勢(shì)進(jìn)行原因分析，本文在組態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)添加了實(shí)時(shí)、歷史趨勢(shì)曲線的界面，實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線是實(shí)時(shí)監(jiān)控參數(shù)的變化趨勢(shì)曲線，歷史趨勢(shì)曲線是對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了再分析，方便用戶總結(jié)規(guī)律，同時(shí)用戶可在報(bào)表畫面查詢、編輯或打印歷史或?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)?？諌簷C(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能之一是，當(dāng)實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)超過設(shè)定值后提供報(bào)警信息。本文在組態(tài)軟件設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置了4 個(gè)越限報(bào)警功能，即當(dāng)排氣溫度過高、潤(rùn)滑油壓力過低、排氣壓力過高和電動(dòng)機(jī)振動(dòng)過快時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出警告，引起工作人員注意，并采取相應(yīng)的措施。

3 應(yīng)用效果

針對(duì)礦井空氣壓縮機(jī)的檢測(cè)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，采用傳感器采集空壓機(jī)溫度、壓力和電機(jī)振動(dòng)等狀態(tài)參數(shù)，確定了各監(jiān)控參數(shù)的傳感器類型；通過PLC、觸摸屏和組態(tài)軟件對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行了檢測(cè)和控制。該自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)功能強(qiáng)大、操作方便、易于維護(hù)，保障了礦井的安全生產(chǎn)。