【摘 要】本文主要對目前煤礦中所采用的空壓機控制技術(shù)進行了分析，在指出目前控制系統(tǒng)不足的基礎(chǔ)上，進行了煤礦空壓機控制系統(tǒng)的升級與改造的設(shè)計。文中主要分析了控制系統(tǒng)的升級改造總體設(shè)計方案、系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計以及調(diào)試的方法步驟。對于目前煤礦空壓機的控制系統(tǒng)進行升級改造后，系統(tǒng)工作的效率、自動化水平以及工作性能都得到了較大的提升。

【關(guān)鍵詞】空壓機；控制系統(tǒng)；煤礦；升級改造；傳感器

0.引言

空氣壓縮機在工業(yè)應用系統(tǒng)中一般簡稱為空壓機，在機械制造以及礦山能源系統(tǒng)等方面具有非常重要的作用?？諌簷C工作狀態(tài)的控制對于生產(chǎn)具有重要的影響，目前國內(nèi)絕大部分的空壓機都采用了繼電器的控制方式，但是這樣的控制系統(tǒng)對于系統(tǒng)的監(jiān)控以及保護水平較差，對于溫度以及壓力等常見變量都是采用接點溫度計以及接點壓力計等傳統(tǒng)儀器儀表作為檢測器件，系統(tǒng)工作的故障率較高，技術(shù)人員對于系統(tǒng)的維護工作量較大，系統(tǒng)的工作性能以及工作穩(wěn)定性也不能滿足工業(yè)化生產(chǎn)的要求。提升煤礦空壓機控制系統(tǒng)的工作性能，對目前的控制系統(tǒng)進行升級改造是空壓機工業(yè)應用中亟待解決的問題。

1.新型煤礦空壓機控制系統(tǒng)的主要功能以及系統(tǒng)特點

對于目前傳統(tǒng)的空壓機控制系統(tǒng)進行升級改造后，系統(tǒng)要能夠具備以下幾個方面的功能需求，首先控制系統(tǒng)要能夠滿足對煤礦中空壓機的群組進行實時集中控制；同時系統(tǒng)要能夠具備溫度檢測以及自動停機保護的功能，在空壓機的工作過程中，溫度對于產(chǎn)品的工作性能具有重要的影響，控制系統(tǒng)要能夠?qū)崟r檢測空壓機在運行過程中一級以及二級排氣溫度，風包的溫度以及可以實現(xiàn)光電報警以及停機保護的功能；空壓機控制系統(tǒng)同時也要能夠?qū)τ诳諌簷C運轉(zhuǎn)過程中的壓力進行實時的檢測以及保護，要能對一級、二級排氣壓力、潤滑油壓力等實現(xiàn)不斷的檢測以及報警與延時停機方面的保護；在空壓機工作過程中，如果出現(xiàn)停水的情況，監(jiān)控系統(tǒng)要能夠迅速檢測并報警。

煤礦空壓機控制升級系統(tǒng)主要具備以下的技術(shù)特點，系統(tǒng)的硬件電路主要由壓力傳感器、溫度傳感器以及對應的流量傳感器等能量變化器件與下位機控制的單片機、上位機控制的工控機組成，整個系統(tǒng)中同時采用了保護裝置，保證控制系統(tǒng)正常工作。系統(tǒng)最終能夠?qū)崿F(xiàn)實時在線檢測溫度、壓力等相關(guān)參數(shù)，同時能夠?qū)崿F(xiàn)報警、卸荷以及延時停機等控制功能。在系統(tǒng)的上位機中能夠顯示目前的工作狀態(tài)。圖1為工控機中控制系統(tǒng)的工作界面。

2.新型煤礦空壓機控制系統(tǒng)的升級改造的總體設(shè)計方案

在進行煤礦空壓機控制系統(tǒng)的升級改造中，確定了以下的總體設(shè)計方案。整體控制系統(tǒng)由傳感器進行各種非電關(guān)鍵物理量的采集以及能量形式的變化，本控制系統(tǒng)中的所采用的傳感器能夠?qū)y試信號轉(zhuǎn)換為4-20mA的電流信號，通過電流與電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂芯€性關(guān)系的輸出電壓，通過同軸電纜等低噪聲傳輸線將信號進行預處理，主要包含對信號進行濾波、整形以及ADC變換，在完成信號的預處理后，將信號傳送到單片機（控制系統(tǒng)的下位機）進行處理，工控機（系統(tǒng)中所采用的上位機）通過RS485總線與下位機進行通信，通信過程中，下位機將采集的參量傳輸給上位機進行邏輯關(guān)系的判斷，上位機將控制信息傳輸給下位機做出控制動作。在工業(yè)化生產(chǎn)實際中，一般控制對象都是由5臺及以上的空壓機組成的空壓機組，為了保證系統(tǒng)中各個空壓機的工作相互之間沒有干擾，在系統(tǒng)的設(shè)計中采用了獨立傳感器、獨立單片機的控制方式。系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖2所示。

3.新型煤礦空壓機控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計

3.1信號采集前端的設(shè)計

整體控制系統(tǒng)設(shè)計中要求能完成以下幾個方面的保護功能，以此保證控制系統(tǒng)的正常工作。在系統(tǒng)中要求能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度、壓力、潤滑油缺失以及水缺失等四個方面的自動檢測以及保護。溫度保護中采用的是溫度傳感器進行檢測空壓機工作的實時溫度，并與系統(tǒng)設(shè)定的溫度的閾值進行對比，當超過設(shè)置溫度的時候，系統(tǒng)自動報警并停機保護；潤滑油缺失檢測采用的是壓力傳感器，實時檢測系統(tǒng)中的油壓，而水缺失傳感器則采用的是流量傳感器進行實時測量，當檢測到冷卻水的流量低于系統(tǒng)設(shè)置的下限值的時候，空壓機停止工作。

3.2單片機對于傳感器信號的處理

在單片機進行信號處理之前，首先是需要將信號進行處理，在系統(tǒng)中采用了電流—電壓轉(zhuǎn)換電路、濾波電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對于信號進行預處理。由于系統(tǒng)中所采用的傳感器輸出為電流形式，因此電路中需要采用一個高精度的電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為一定區(qū)間的電壓信號。同時由于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境中存在大量的干擾以及傳感器的原因，在輸入到單片機的信號中存在大量的諧波干擾，因此系統(tǒng)中設(shè)計了常用的有源濾波電路對信號中的雜波成分進行有效的濾除，同時由于單片機是典型的數(shù)字電子產(chǎn)品，只能夠?qū)?shù)字信號進行處理計算，所以必須采用ADC電路將傳感器的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換以適應單片機的工作需要。

3.3工控機的設(shè)計分析

在控制系統(tǒng)中，上位機采用了工控機作為控制核心，上位機的功能是完成將下位機采集傳輸過來的信號還原為工業(yè)現(xiàn)場的實際參量，并通過用戶界面顯示出來。在上位機控制軟件中采用棒圖進行控制顯示，并將控制信息發(fā)送到對應的下位機。

4.新型煤礦空壓機控制系統(tǒng)升級改造的軟件系統(tǒng)設(shè)計

在軟件系統(tǒng)設(shè)計中，主要包含單片機的下位機控制程序以及上位機顯示界面程序。在下位機的控制中，主要采用了匯編指令進行程序的編寫，以達到系統(tǒng)實時的效率。上位機采用了VC以及匯編指令的混合系統(tǒng)進行設(shè)計。軟件的設(shè)計中遵循了模塊化的設(shè)計方案，這樣便于系統(tǒng)的后續(xù)升級以及程序的調(diào)試工作。軟件主要由系統(tǒng)啟動模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊、系統(tǒng)工作設(shè)置模塊以及綜合保護模塊等多個部分構(gòu)成。為了適應煤礦的工作環(huán)境以及工業(yè)生產(chǎn)的要求，軟件設(shè)計過程中尤其關(guān)注了軟件系統(tǒng)的可靠性以及抗干擾能力，同時為了能夠保證采集數(shù)據(jù)的精度，在程序中引入了數(shù)字濾波的模塊，因此增強系統(tǒng)的控制能力。

5.新型煤礦空壓機控制系統(tǒng)升級改造后系統(tǒng)的調(diào)試以及抗干擾分析

在系統(tǒng)升級改造設(shè)計完成后，對于系統(tǒng)的工作性能進行了整體的調(diào)試，并對工作過程中有可能出現(xiàn)的干擾進行了分析。在系統(tǒng)調(diào)試中要能夠采用先部分再整體，先靜態(tài)再動態(tài)，先進行電氣設(shè)備調(diào)試再進行軟件控制功能調(diào)試的方法步驟對系統(tǒng)進行調(diào)試分析。由于煤礦系統(tǒng)的工作環(huán)境較差，在工作中存在高電壓、強電流、強EMC干擾等情況，所以在系統(tǒng)的設(shè)計中，一定要強化抗干擾方面的理念。在系統(tǒng)各個功能部件進行連接的時候，要盡量采用具有較強抗干擾能力的同軸電纜，系統(tǒng)不同模塊的耦合中要采取合適的隔離方式，例如可以采用光電隔離等，要采取瞬態(tài)抑制電路、濾波電路等消除或者減小電路中的干擾。 [科]

6.總結(jié)

空壓機的控制效果對于煤礦等工業(yè)生產(chǎn)具有重要的影響。通過對其控制系統(tǒng)的升級與改造，新型的控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計合理、軟件工作性能可靠、系統(tǒng)整體工作性能良好。系統(tǒng)能夠很好地對礦山等場所的空壓機組工作的狀態(tài)參數(shù)進行實時的檢測以及報警，并能夠進行自動保護。空壓機控制系統(tǒng)的升級改造大大提升了空壓機運行狀態(tài)的自動控制水平，對于礦山的生產(chǎn)效率的提升也具有極為重要的意義。

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