付潤滋，劉傳營，范傳海，王海峰，王如倉

（兗州煤業(yè)股份有限公司濟寧三號煤礦，山東 濟寧273500）

0 引 言

在煤礦生產(chǎn)中，空氣壓縮機（以下簡稱空壓機）主要向井下的風(fēng)動機械提供動力，其穩(wěn)定性及可靠

性直接影響到煤礦的安全生產(chǎn)。隨著礦井巷道的不斷延伸，單臺壓風(fēng)機并不能滿足全部井下供風(fēng)，需

要多臺壓風(fēng)機配合供風(fēng)。隨著單片機、PLC 的大量應(yīng)用，合理解決設(shè)備與設(shè)備之間通訊將成為一個重要環(huán)節(jié)。此外，隨著煤礦從業(yè)人員的減少，煤礦企業(yè)

面臨的就業(yè)人員不足的壓力。因此，設(shè)計一個操作方便，功能完善的全自動監(jiān)控系統(tǒng)對所有的空壓機以及附屬設(shè)備進行遠程監(jiān)控和保護，對于降低設(shè)備維護成本，提升工人工作效率有著重要意義。

1 礦井壓風(fēng)機現(xiàn)狀

兗礦集團濟寧三號煤礦現(xiàn)有10 臺壓風(fēng)機，其中離心式壓風(fēng)機1 臺，螺桿式壓風(fēng)機9 臺，其中9臺螺桿式壓風(fēng)機利用1 臺S7-200 PLC 遠程集控，后期安裝的離心式壓風(fēng)機無法集控，只能采用就地人工控制，存在控制方式落后。操作不方便的問題。后期安裝了離心機提熱系統(tǒng)，用于給職工的洗浴用水加熱。同樣是通過西門子S7-300 PLC 控制，各自有著獨立的控制方式。壓風(fēng)機高壓供電系統(tǒng)采用南瑞RCS9600 系列繼電保護，無后臺監(jiān)控系統(tǒng)，無法實現(xiàn)后臺監(jiān)控?，F(xiàn)在，迫切需要整合各個子系統(tǒng)。形成一套完善、全面的壓風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)控制原理圖

系統(tǒng)以西門子S7-1200 PLC 控制系統(tǒng)為核心，由空壓機及其附屬設(shè)備的集中控制部分、工業(yè)電視監(jiān)控部分和電力監(jiān)控后臺3 部分組成，最終實現(xiàn)空壓機的無人值守聯(lián)動控制。體系結(jié)構(gòu)分為3 層結(jié)構(gòu)：現(xiàn)場設(shè)備層、PLC 控制層和監(jiān)控信息層。系統(tǒng)的核心是位于中間層的PLC 控制層，負責(zé)對下層控制與上層通訊；最底層為現(xiàn)場設(shè)備層，通過開關(guān)量信號、模擬量信號以及通訊協(xié)議與PLC 相連接；最上層通過工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議與PLC 相連接。采用分級管控、分層操作的方式，實現(xiàn)了空壓機的集中控制，無人值守。

2.1 現(xiàn)場設(shè)備層

壓風(fēng)機現(xiàn)場設(shè)備眾多，包含高、低壓柜，冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，余熱利用系統(tǒng)、壓風(fēng)系統(tǒng)。其中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，壓風(fēng)系統(tǒng)都無法正常運行，影響井下供風(fēng)。監(jiān)測系統(tǒng)以modbus 通訊協(xié)議為基礎(chǔ)，將所有設(shè)備層中的設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)PLC 系統(tǒng)的I/O 點信息及各種智能儀表等的采集和上傳，同時傳送集中控制信號到現(xiàn)場設(shè)備，完成對現(xiàn)場參控設(shè)備的操作、控制、狀態(tài)監(jiān)視、信息傳輸及控制指令的傳達執(zhí)行。

2.2 PLC 控制層

中間層為PLC 控制層，采用西門子S7-1200 為控制核心，配備多個I/O 模塊和AI 模塊，由上位工控機和PLC 控制系統(tǒng)、硬盤錄像機等設(shè)備組成，通過光纖進行通訊連接，采用高性能工控機作為上位機，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)設(shè)備的集中控制?？蓪崿F(xiàn)對壓力、溫度（至少包含空壓機組出廠設(shè)計參數(shù)）以及電氣參數(shù)（包括配電設(shè)備母線電壓、開關(guān)分合狀態(tài)、電機電流、電壓、功率、功率因數(shù)等）的連續(xù)在線監(jiān)測功能。

2.2.1 控制方式

系統(tǒng)具備自動和就地控制兩種模式。自動運行方式可實現(xiàn)單臺空壓機遠程一鍵啟動（停止），同時對多臺機組的實現(xiàn)聯(lián)動控制，以滿足不同階段時的礦井用風(fēng)需求，有效防止同時啟動兩臺或多臺空壓機。實現(xiàn)恒壓供風(fēng)，即系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的供風(fēng)壓力值，自動控制設(shè)備的卸荷和加載，壓力值或風(fēng)壓高于設(shè)定值時，自動卸荷或停機，低于設(shè)定值時，能自動加載或開機。并同時實現(xiàn)空壓機高低壓電源部分遠動功能，真正實現(xiàn)空壓機房設(shè)備遠程操控，無人值守。

2.2.2 保護功能

系統(tǒng)具有完備的保護及報警顯示功能，可以實現(xiàn)電機過載停機、電源逆相、缺相保護、排氣高溫跳車、斷水保護、斷油保護、儲氣罐高溫保護、空氣過濾器堵塞報警、油過濾器堵塞報警、油細分離器堵塞報警等，離心機還具備各級排氣壓力、溫度、振動、油壓等保護。現(xiàn)場有保護模擬功能。并能發(fā)出聲光報警，提醒維護人員注意。

2.3 監(jiān)控信息層

PLC 控制柜上裝設(shè)有觸摸屏，方便用戶觀察壓風(fēng)機實時運行情況和現(xiàn)場操作等。控制柜通過以太網(wǎng)通訊模塊與調(diào)度信息中心的上位機進行通訊。通過裝設(shè)在壓風(fēng)機房工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)節(jié)點交換機，實現(xiàn)壓風(fēng)機控制柜與上位機服務(wù)器的通訊，試驗遠程監(jiān)控功能。

圖2 壓風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)具有歷史數(shù)據(jù)（故障報警）查詢功能，能夠查詢之前各類歷史數(shù)據(jù)及報警記錄。并具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能，可以自動統(tǒng)計每日、每月的用風(fēng)量、每臺空壓機每日、每周、每月運行時間統(tǒng)計。

系統(tǒng)具有故障自診斷功能，能夠根據(jù)離心式空壓機冷卻器進、出水壓差產(chǎn)生數(shù)據(jù)來判斷冷卻器芯堵塞程度，根據(jù)設(shè)定報警值，有效預(yù)防因高溫導(dǎo)致的跳車事故。

系統(tǒng)能夠自動生成運行參數(shù)的日報表、月報表及年報表，報表可打印。同時還具備事件打印功能。監(jiān)控軟件具有設(shè)備參數(shù)、運行、檢修和維護的管理功能?？蓪崿F(xiàn)全自動運行，達到無人值守的目的。

系統(tǒng)具有視頻聯(lián)動功能，利用OCX 控件可以在wincc 組態(tài)軟件中定義視頻攝像頭IP 地址，當某一設(shè)備發(fā)生報警時能聯(lián)動現(xiàn)場的攝像頭畫面，保證維修人員第一時間了解現(xiàn)場狀況。

3 系統(tǒng)通訊方式

壓風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)采用了多種通訊方式進行設(shè)備之間的通訊，這樣有利于設(shè)備間數(shù)據(jù)及時交互。實時共享各自需要的數(shù)據(jù)，并利用數(shù)據(jù)分析設(shè)備的運行狀態(tài)，提高了設(shè)備的安全性。

3.1 與螺桿式壓風(fēng)機通訊方式

壓風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)與螺桿式壓風(fēng)機之間通訊采用MODBUS RTU 通訊協(xié)議方式，先通過螺桿式壓風(fēng)機操作面板上通訊參數(shù)設(shè)置，設(shè)置螺桿式壓風(fēng)機的地址號，地址號可設(shè)置為1～32。設(shè)備默認通訊速度（波特率）9600.無校驗位。連接線采用雙絞屏蔽線，同時雙絞屏蔽線的兩端都接地，以減少現(xiàn)場干擾。并增加了終端電阻Z0=120Ω，減少了反射干擾。通訊鏈接建立后，可以采集螺桿式壓風(fēng)機溫度，壓力，運行時間、加載時間、故障報警等多種數(shù)據(jù)。如單獨布線不僅浪費大量的傳感器。而且全部監(jiān)測量需24個數(shù)字量、16 個模擬量。需要至少3 個模塊采能采集，不僅占用大量有限資源，而且信息無法滿足監(jiān)測需要。利用MODBUS RTU 協(xié)議通訊正好解決了此類問題，節(jié)省大量的資源。

3.2 與離心式壓風(fēng)機通訊方式

壓風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)與離心式壓風(fēng)機之間通訊采用MODBUS TCP 通訊協(xié)議方式，通過離心式壓風(fēng)機操作面板設(shè)置IP 地址等參數(shù)。利用網(wǎng)線接入工業(yè)環(huán)網(wǎng)，PLC 利用離心機的MODBUS TCP 通訊協(xié)議在環(huán)網(wǎng)上讀取離心機的相關(guān)數(shù)據(jù)。既滿足了數(shù)據(jù)通訊的需要，又簡化了接線方式。

圖3 余熱利用監(jiān)控系統(tǒng)

3.3 與余熱利用系統(tǒng)通訊方式

壓風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)與余熱利用系統(tǒng)通訊采用profibus 通訊，利用博圖自帶的通訊功能塊FC5 和FC6 成功對需要收發(fā)的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換傳輸，系統(tǒng)成功調(diào)用了余熱利用系統(tǒng)中的冷卻水溫度、冷卻水流量等重要數(shù)據(jù)，為設(shè)置壓風(fēng)機斷水保護提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐，同時也節(jié)省了大量資源。

3.4 與高、低壓供電系統(tǒng)通訊方式

我們先安裝了1 臺南京南瑞繼保有限公司的PCS9799 遠動通訊機對高低壓供電系統(tǒng)進行相互數(shù)據(jù)交換，然后遠動通訊機利用IEC61850 規(guī)約進行數(shù)據(jù)上送。壓風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)與高、低壓供電系統(tǒng)采用MODBUS TCP 通訊協(xié)議，通過博圖軟件內(nèi)部的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通訊塊進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取及數(shù)據(jù)的處理。

4 系統(tǒng)運行效果分析

壓風(fēng)機全自動運行方式下，壓風(fēng)機房不再設(shè)置崗位工人，由集控室值班人員負責(zé)壓風(fēng)機系統(tǒng)運行參數(shù)的監(jiān)測，由地面維修人員負責(zé)定時到壓風(fēng)機房巡檢，每天減少固定崗位人員2 人。實現(xiàn)了運行參數(shù)的實時監(jiān)測，運行后及時發(fā)現(xiàn)一次螺桿式壓風(fēng)機電機后軸超溫故障，系統(tǒng)自行進行壓風(fēng)機的切換并報警，避免了電機燒毀等嚴重后果。系統(tǒng)運行至今，整體安全可靠。

5 結(jié) 論

礦井壓風(fēng)機自動監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)采用了西門子S7-1200 系列PLC 為監(jiān)控核心，利用MODBUS 通訊協(xié)議對離心機、9 臺螺桿機、高低壓供電系統(tǒng)以及余熱利用監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通訊?？梢愿鶕?jù)供氣壓力自動控制網(wǎng)內(nèi)空壓機的啟停、并具有實時數(shù)據(jù)采集、故障診斷、數(shù)據(jù)管理、圖表輸出、信息查詢、安全授權(quán)管理、Web 發(fā)布等功能。利用先進的通訊方式節(jié)約了大量資金，實現(xiàn)了對空壓機機組的優(yōu)化調(diào)度和運行，達到無人值守，并實現(xiàn)了各個設(shè)備之間數(shù)據(jù)的共享。為控制系統(tǒng)的故障判斷提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐，最大限度發(fā)揮空壓機的運行效率，提高了系統(tǒng)的自動化程度。并利用視頻聯(lián)動系統(tǒng)，最大限度的保證礦井壓風(fēng)系統(tǒng)的安全運行。