压风机自动控制系统研究

张 磊

（汾西矿业灵北煤矿， 山西 晋中 031302）

引言

在矿井煤炭生产过程中，风钻、风镐以及掘进机等多种设备动力均来源于井下压风，压风系统是确保煤矿井下正常生产的基础系统之一[1-2]。现阶段矿井地面压风机多采用人工控制方式，即压风设备运行、状态监测以及参数设定等均依靠作业人员现场控制，此种压风机控制方式存在效率不高、用工量大以及控制方式落后等问题，不仅难以保证井下压风管路供气质量，而且影响压风机使用寿命[3-5]。随着矿井综合自动化以及智能化建设的不断推进，PLC 控制技术在煤矿井下刮板输送机、皮带输送机、局部通风机等设备上的应用较为普遍，若将PLC 控制技术应用到地面压风机控制中，即可实现压风机自动化控制[6-7]。为此，本文以山西某矿地面布置的4 台压风机为研究对象，提出采用自动化控制系统控制压风机，依据井下风量使用需求对压风机运行进行控制，并实现压风机运行参数远程监测、远程集中控制、故障预警以及运行时间控制等，以期大幅提升矿井压风机自动化水平。

1 山西某矿井下空压机概况

山西某矿井下压风通过地面布置的4 台螺杆压风机实现，布置的压风机采用微型计算机控制，并可实时显示压风机运行参数，具体包括有温度、压力、运转状态、工作时间等，并可实现故障自动诊断、故障记录存储以及预警等功能。地面布置的4 台空压机均处于相互独立运行状态，各空压机独立监测各种系统压力，相互之间无信息通信。采用此种控制方式时，会导致各空压机机组运行不均衡，不利于空压机调配工作时间、进行后期维护以及管理等。为提高空压机工作效率，提高空压机自动化控制水平，依据空压机压力监测结果灵活调整状态，根据矿井地面空压机实际情况，提出采用自动化系统控制空压机运行。

2 空压机自动化系统结构及功能

2.1 空压机自动化系统结构组成

在地面空压机房布置的自动化控制系统结构包括有监控PC、监测控制柜、流量传感器、电量参数模块、压力变送器等，监控上位机控制系统依据动态网编制。

自动化控制系统核心为S7-200PLC，可实现对空压机的运行监测与控制。自动控制系统中电量参数模块、PLC 扩展模块、模拟量监测模块（EM231）、通信模块（CP243-1）、传感器等均采用监控柜内24 V 电压供电；PLC 与地面4 台空压机间通过屏蔽电缆实现通信。自动化控制系统功能包括有空压机运行参数监测、故障信息监测等，并通过通信系统将信息传输给控制系统上位机。具体空压机自动化控制系统结构组成如图1 所示。

图1 空压机自动化控制系统结构示意图

2.2 空压机自动化控制系统功能实现

采用自动化控制系统可实现空压机、相关管线控制阀门间连锁控制，同时可实现空压机远程启动、停止以及就地控制。自动化控制系统具备有手动、远程自动控制两种相互独立控制模式。手动控制时各台空压机均独立运行，适宜于空压机设备检修或者故障隐患排查时使用；远程自动控制时地面的4 台空压机可实现联机运行，可依据井下压缩空气消耗量、管网压力变化情况控制空压机运行。当井下用风量增加、个别空压机出现故障以及压风管网压力下降时，可自动开启备用空压机；当用气量减少时则自动减少地面空压机运行数量，不仅可满足井下压风使用需要，而且可降低空压机整体能耗。具体空压机自动化控制系统功能实现流程如图2 所示。

图2 空压机自动化控制系统功能实现流程

为平衡各台空压机运行时间，并增强空压机使用寿命，自动控制系统对空压机控制时按照“先开先停、先停先开”原则，尽量保持各空压机使用时间相近。采用通信系统以及相关监测传感器对空压机运行参数进行监测，具体运行参数包括有管内压力、排气温度、排气压力、管内流量、空压机电流及电压等，监测参数会实时传输给监控上位机，并提供报警信息查询、历史数据查询以及监测报表打印等服务。

在人机交互界面或者监控上位机可实时显示空压机故障、压力、温度、电流及电压等监测曲线，并可通过监测曲线变化对空压机运行状况进行分析。当监测到管网压力降低至预警值以内且无法及时升压，空压机运行出现故障时，自动化控制系统即会发出故障报警，具体空压机故障曲线如图3 所示。

图3 空压机故障监测曲线

2.3 空压机自动化控制系统通信方式

触摸屏、PLC 等均布置在空压机监控柜内，由于通信距离短，为此选用的通信方式为MPI，PLC 与各空压机间采用MODEBUS 方式、与监控中心间采用以太网通信方式。

3 自动化控制平台

具体控制系统自动化控制平台界面如图4 所示，控制平台通过King SCADA 软件实现控制指令以及监测参数传输。在控制平台内设计有账户管理、视频监控、数据查询、运行控制等多种操作界面，可实现空压机运行自动化监测以及控制。在空压机监控柜内的PLC 控制系统将监测获取到的各参数通过MODEBUS 方式传输给上位机，上位机首先会关联各数据变量，然后对监测数据进行显示。

图4 自动化控制平台操作界面示意图

通过采用自动化控制平台，操作人员在监控中心可实时掌握压风机运行情况，并远程控制空压机运行。

4 结语

为提高矿井地面空压机运行效率并实现对空压机远程控制，文中结合山西某矿实际情况基于PLC构建一种空压机自动化控制系统，该控制系统可实现空压机运行参数监测、远程集中控制、故障预警等。在该矿进行现场应用后，该自动化控制系统运行可靠，可大幅提升空压机运行自动化控制水平。通过在矿井采用空压机自动化控制系统，可在一定程度上降低空压机故障发生率以及后续故障处理时间，为自动化、智能化矿井构建奠定一定基础。