矿井空压机新型在线监控系统的研究与应用

付润滋，刘传营，范传海，王海峰，王如仓

（兖州煤业股份有限公司济宁三号煤矿，山东 济宁273500）

0 引 言

在煤矿生产中，空气压缩机（以下简称空压机）主要向井下的风动机械提供动力，其稳定性及可靠

性直接影响到煤矿的安全生产。随着矿井巷道的不断延伸，单台压风机并不能满足全部井下供风，需

要多台压风机配合供风。随着单片机、PLC 的大量应用，合理解决设备与设备之间通讯将成为一个重要环节。此外，随着煤矿从业人员的减少，煤矿企业

面临的就业人员不足的压力。因此，设计一个操作方便，功能完善的全自动监控系统对所有的空压机以及附属设备进行远程监控和保护，对于降低设备维护成本，提升工人工作效率有着重要意义。

1 矿井压风机现状

兖矿集团济宁三号煤矿现有10 台压风机，其中离心式压风机1 台，螺杆式压风机9 台，其中9台螺杆式压风机利用1 台S7-200 PLC 远程集控，后期安装的离心式压风机无法集控，只能采用就地人工控制，存在控制方式落后。操作不方便的问题。后期安装了离心机提热系统，用于给职工的洗浴用水加热。同样是通过西门子S7-300 PLC 控制，各自有着独立的控制方式。压风机高压供电系统采用南瑞RCS9600 系列继电保护，无后台监控系统，无法实现后台监控。现在，迫切需要整合各个子系统。形成一套完善、全面的压风机监控系统。

2 系统硬件设计

图1 监控系统控制原理图

系统以西门子S7-1200 PLC 控制系统为核心，由空压机及其附属设备的集中控制部分、工业电视监控部分和电力监控后台3 部分组成，最终实现空压机的无人值守联动控制。体系结构分为3 层结构：现场设备层、PLC 控制层和监控信息层。系统的核心是位于中间层的PLC 控制层，负责对下层控制与上层通讯；最底层为现场设备层，通过开关量信号、模拟量信号以及通讯协议与PLC 相连接；最上层通过工业以太网协议与PLC 相连接。采用分级管控、分层操作的方式，实现了空压机的集中控制，无人值守。

2.1 现场设备层

压风机现场设备众多，包含高、低压柜，冷却水循环系统，余热利用系统、压风系统。其中任何一个环节出现问题，压风系统都无法正常运行，影响井下供风。监测系统以modbus 通讯协议为基础，将所有设备层中的设备进行数据交换，实现PLC 系统的I/O 点信息及各种智能仪表等的采集和上传，同时传送集中控制信号到现场设备，完成对现场参控设备的操作、控制、状态监视、信息传输及控制指令的传达执行。

2.2 PLC 控制层

中间层为PLC 控制层，采用西门子S7-1200 为控制核心，配备多个I/O 模块和AI 模块，由上位工控机和PLC 控制系统、硬盘录像机等设备组成，通过光纤进行通讯连接，采用高性能工控机作为上位机，实现对整个系统设备的集中控制。可实现对压力、温度（至少包含空压机组出厂设计参数）以及电气参数（包括配电设备母线电压、开关分合状态、电机电流、电压、功率、功率因数等）的连续在线监测功能。

2.2.1 控制方式

系统具备自动和就地控制两种模式。自动运行方式可实现单台空压机远程一键启动（停止），同时对多台机组的实现联动控制，以满足不同阶段时的矿井用风需求，有效防止同时启动两台或多台空压机。实现恒压供风，即系统根据设定的供风压力值，自动控制设备的卸荷和加载，压力值或风压高于设定值时，自动卸荷或停机，低于设定值时，能自动加载或开机。并同时实现空压机高低压电源部分远动功能，真正实现空压机房设备远程操控，无人值守。

2.2.2 保护功能

系统具有完备的保护及报警显示功能，可以实现电机过载停机、电源逆相、缺相保护、排气高温跳车、断水保护、断油保护、储气罐高温保护、空气过滤器堵塞报警、油过滤器堵塞报警、油细分离器堵塞报警等，离心机还具备各级排气压力、温度、振动、油压等保护。现场有保护模拟功能。并能发出声光报警，提醒维护人员注意。

2.3 监控信息层

PLC 控制柜上装设有触摸屏，方便用户观察压风机实时运行情况和现场操作等。控制柜通过以太网通讯模块与调度信息中心的上位机进行通讯。通过装设在压风机房工业以太环网节点交换机，实现压风机控制柜与上位机服务器的通讯，试验远程监控功能。

图2 压风机监控系统

系统具有历史数据（故障报警）查询功能，能够查询之前各类历史数据及报警记录。并具有数据统计功能，可以自动统计每日、每月的用风量、每台空压机每日、每周、每月运行时间统计。

系统具有故障自诊断功能，能够根据离心式空压机冷却器进、出水压差产生数据来判断冷却器芯堵塞程度，根据设定报警值，有效预防因高温导致的跳车事故。

系统能够自动生成运行参数的日报表、月报表及年报表，报表可打印。同时还具备事件打印功能。监控软件具有设备参数、运行、检修和维护的管理功能。可实现全自动运行，达到无人值守的目的。

系统具有视频联动功能，利用OCX 控件可以在wincc 组态软件中定义视频摄像头IP 地址，当某一设备发生报警时能联动现场的摄像头画面，保证维修人员第一时间了解现场状况。

3 系统通讯方式

压风机监控系统采用了多种通讯方式进行设备之间的通讯，这样有利于设备间数据及时交互。实时共享各自需要的数据，并利用数据分析设备的运行状态，提高了设备的安全性。

3.1 与螺杆式压风机通讯方式

压风机监控系统与螺杆式压风机之间通讯采用MODBUS RTU 通讯协议方式，先通过螺杆式压风机操作面板上通讯参数设置，设置螺杆式压风机的地址号，地址号可设置为1～32。设备默认通讯速度（波特率）9600.无校验位。连接线采用双绞屏蔽线，同时双绞屏蔽线的两端都接地，以减少现场干扰。并增加了终端电阻Z0=120Ω，减少了反射干扰。通讯链接建立后，可以采集螺杆式压风机温度，压力，运行时间、加载时间、故障报警等多种数据。如单独布线不仅浪费大量的传感器。而且全部监测量需24个数字量、16 个模拟量。需要至少3 个模块采能采集，不仅占用大量有限资源，而且信息无法满足监测需要。利用MODBUS RTU 协议通讯正好解决了此类问题，节省大量的资源。

3.2 与离心式压风机通讯方式

压风机监控系统与离心式压风机之间通讯采用MODBUS TCP 通讯协议方式，通过离心式压风机操作面板设置IP 地址等参数。利用网线接入工业环网，PLC 利用离心机的MODBUS TCP 通讯协议在环网上读取离心机的相关数据。既满足了数据通讯的需要，又简化了接线方式。

图3 余热利用监控系统

3.3 与余热利用系统通讯方式

压风机监控系统与余热利用系统通讯采用profibus 通讯，利用博图自带的通讯功能块FC5 和FC6 成功对需要收发的数据进行转换传输，系统成功调用了余热利用系统中的冷却水温度、冷却水流量等重要数据，为设置压风机断水保护提供了可靠的数据支撑，同时也节省了大量资源。

3.4 与高、低压供电系统通讯方式

我们先安装了1 台南京南瑞继保有限公司的PCS9799 远动通讯机对高低压供电系统进行相互数据交换，然后远动通讯机利用IEC61850 规约进行数据上送。压风机监控系统与高、低压供电系统采用MODBUS TCP 通讯协议，通过博图软件内部的数据转换通讯块进行数据转换，实现数据的读取及数据的处理。

4 系统运行效果分析

压风机全自动运行方式下，压风机房不再设置岗位工人，由集控室值班人员负责压风机系统运行参数的监测，由地面维修人员负责定时到压风机房巡检，每天减少固定岗位人员2 人。实现了运行参数的实时监测，运行后及时发现一次螺杆式压风机电机后轴超温故障，系统自行进行压风机的切换并报警，避免了电机烧毁等严重后果。系统运行至今，整体安全可靠。

5 结 论

矿井压风机自动监控监测系统采用了西门子S7-1200 系列PLC 为监控核心，利用MODBUS 通讯协议对离心机、9 台螺杆机、高低压供电系统以及余热利用监控系统进行数据通讯。可以根据供气压力自动控制网内空压机的启停、并具有实时数据采集、故障诊断、数据管理、图表输出、信息查询、安全授权管理、Web 发布等功能。利用先进的通讯方式节约了大量资金，实现了对空压机机组的优化调度和运行，达到无人值守，并实现了各个设备之间数据的共享。为控制系统的故障判断提供了可靠的数据支撑，最大限度发挥空压机的运行效率，提高了系统的自动化程度。并利用视频联动系统，最大限度的保证矿井压风系统的安全运行。