楊志懷

（山西壽陽潞陽麥捷煤業(yè)有限公司，山西 壽陽 045400）

引言

空氣壓縮機為礦井生產(chǎn)中的主要動力設備之一，其將空氣壓縮到一定壓力后，為風鎬和風鉆等設備提供動力。根據(jù)冷卻方式的不同將礦井空氣壓縮機分為空冷空壓機和水冷空壓機。一般的，由于空冷空壓機對現(xiàn)場的通風量具有較大的依賴性，礦井一般以水冷空壓機為主。在實際應用中，水冷空壓機主要表現(xiàn)為電能消耗較大且出口氣體或溫度過高等問題[1]。為此，本文基于先進的傳感器及數(shù)據(jù)處理技術實現(xiàn)水冷泵與空壓機的智能聯(lián)動控制，保證管路壓力的穩(wěn)定性，降低電能的消耗。

1 水冷空壓機的基本結(jié)構與工作原理

水冷空壓機主要包括氣路系統(tǒng)、油路系統(tǒng)和水路系統(tǒng)，三者相互獨立，且相互之間的密封良好。

如圖1所示，根據(jù)水冷式空壓機的工作過程可分為吸氣、壓縮、壓縮氣體與噴油以及排氣四個過程。其中，吸氣過程將現(xiàn)場的空氣充滿并封閉主轉(zhuǎn)子、從轉(zhuǎn)子與殼體的間隙之間；壓縮過程為主轉(zhuǎn)子、從轉(zhuǎn)子與殼體的間隙在轉(zhuǎn)子的角度作用下減小，從而實現(xiàn)對氣體的壓縮；壓縮氣體與噴油的過程為氣體在被壓縮的同時，在氣體壓力差的作用下潤滑油被噴入壓縮腔內(nèi)，繼而達到在對氣體壓縮的同時實現(xiàn)密封、潤滑以及冷卻的目的；排氣過程為氣體壓縮成為一定壓力后通過轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)排出，并為下一個循環(huán)的吸氣過程做準備[2]。

圖1 水冷空壓機工作原理示意圖

2 空壓機遠程監(jiān)測及智能聯(lián)動控制系統(tǒng)的總體設計

智能聯(lián)動控制指的是水冷空壓機中冷卻水泵和空壓機兩個控制部分的聯(lián)動控制，根據(jù)其中一個設備的工作狀態(tài)對另一個設備的運行狀態(tài)進行實時、精準控制。其中，空壓機的控制包括對設備的啟停、加載卸載以及變頻調(diào)速控制等；冷卻水泵的控制主要是對冷水水泵電機的變頻調(diào)速、啟停控制，對進水閥和開水閥等開關的控制。智能聯(lián)動控制功能實現(xiàn)的基礎為對空壓機和冷卻水冷的在線監(jiān)測，基于PLC控制器對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析處理并通過工業(yè)以太網(wǎng)、RS485通信協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸達到顯示、記錄、故障報警等功能[3]。

結(jié)合智能聯(lián)動控制系統(tǒng)的功能，將其總體結(jié)構分為數(shù)據(jù)遠程監(jiān)測存儲以及預警層、數(shù)據(jù)通訊及信號傳輸層、數(shù)據(jù)檢測采集與控制層的上、中、下三個層次。數(shù)據(jù)遠程監(jiān)測存儲與預警層具備數(shù)據(jù)顯示、曲線查詢、數(shù)據(jù)存儲、超限預警等功能；數(shù)據(jù)通訊及信號傳輸層包括光-網(wǎng)轉(zhuǎn)換模塊、以太網(wǎng)和RS485總線模塊等；數(shù)據(jù)檢測采集與控制層基于電參數(shù)采集模塊和傳感器檢測模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制功能。

3 空壓機遠程監(jiān)測系統(tǒng)的硬件選型

本節(jié)重點對空壓機遠程監(jiān)測系統(tǒng)設計的關鍵硬件進行選型。結(jié)合空壓機監(jiān)控系統(tǒng)的功能，主要對相關傳感器、核心PLC控制器的選型設計。

根據(jù)水冷空壓機監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測項目，可將傳感器設備分為溫度、壓力、振動傳感器以及電參數(shù)采集模塊，具體選型結(jié)果如下頁表1所示。

表1 空壓機遠程監(jiān)測系統(tǒng)傳感器的選型

PLC控制器為實現(xiàn)遠程監(jiān)測和智能聯(lián)動控制的核心，本工程選用可靠性、響應速度較好的S7-300 224XP型PLC控制器。針對空壓系統(tǒng)和冷卻水泵系統(tǒng)所需監(jiān)測和控制的項目，空壓機系統(tǒng)所需的開關輸入量為16點，開關輸出量為16點，冷卻水泵系統(tǒng)所需的開關輸入量為8點、開關輸出量為24點。而所選型的PLC控制器僅有14個開關輸入量、10個開關輸出量。因此，空壓機系統(tǒng)還需擴展一個DI/DO模塊，具體型號為EM223（8點）；水冷卻系統(tǒng)還需擴展兩個DO模塊，具體型號為EM222（8點）。

同理，根據(jù)空壓機系統(tǒng)和水冷卻系統(tǒng)的模擬量輸入/輸出點數(shù)的統(tǒng)計，空壓機系統(tǒng)需擴展兩個型號為EM235的AI/AO模塊、四個型號為EM231的AI模塊，水冷卻系統(tǒng)需擴展四個型號為EM235的AI/AO 模塊。

4 空壓機智能聯(lián)動控制系統(tǒng)結(jié)構的設計

本工程中的智能聯(lián)動控制系統(tǒng)包括兩部分的內(nèi)容，首先是根據(jù)母管的壓力值對四臺空壓機運行狀態(tài)的自動啟?？刂坪妥冾l調(diào)速控制功能的實現(xiàn)；其次是結(jié)合空壓機的運行狀態(tài)對水冷卻泵進行控制，要求空壓機啟動前水冷卻系統(tǒng)已提前啟動，空壓機停機一段時間后水冷區(qū)系統(tǒng)才停機控制[3]。

如圖2所示，四臺空壓機分配了兩臺循環(huán)冷卻水泵。待循環(huán)冷卻水完全充滿空壓機系統(tǒng)后啟動空壓機，并根據(jù)溫度傳感器所監(jiān)測的結(jié)果對循環(huán)冷卻水泵的流量進行實時調(diào)節(jié)；當空壓機完全停機后，對應循環(huán)水冷卻泵才能夠停機。

圖2 冷卻水泵與空壓機的智能聯(lián)動控制系統(tǒng)結(jié)構

該智能聯(lián)動控制系統(tǒng)還包括空壓機運行狀態(tài)之間的聯(lián)動控制，具體通過對啟停順序的控制和運行時間的控制兩方面實現(xiàn)。啟動順序控制原則為根據(jù)母管的壓力大小對啟動空壓機的數(shù)量進行確定，同時優(yōu)先啟動具備變頻調(diào)速功能的空壓機，本著先啟動先停機的原則對空壓機進行停機控制。為避免某臺空壓機的長期運行導致其壽命、可靠性降低的問題，當某臺空壓機運行大于2 h后切換其他空壓機運行[4]。

5 結(jié)語

空壓機作為礦井生產(chǎn)必不可少的設備，主要為風鎬、風鉆等設備提供驅(qū)動力。為提升空壓機系統(tǒng)運行的自動化和智能化水平，降低設備的能耗，實現(xiàn)空壓機與循環(huán)水冷卻泵的智能聯(lián)動控制系統(tǒng)尤為重要[5]?；趯諌簷C運行狀態(tài)監(jiān)測的基礎上，結(jié)合母管的壓力值實現(xiàn)對空壓機之間的聯(lián)動控制；并且本著水冷卻泵先啟動后停機的原則實現(xiàn)與空壓機的聯(lián)動控制，期間根據(jù)空壓機出口氣體和潤滑油的溫度對水冷卻泵流量進行實時精準控制。