夏 坤
(山西潞安集團(tuán)左權(quán)阜生煤業(yè)有限公司,山西 晉中 032600)
空氣壓縮機(jī)(簡稱空壓機(jī))作為礦井作業(yè)過程中的重要?jiǎng)恿υO(shè)備,其作用主要是將空氣壓縮至一定壓力后,為風(fēng)鎬和風(fēng)鉆等設(shè)備提供動(dòng)力??諌簷C(jī)在實(shí)際礦井作業(yè)過程中,常出現(xiàn)耗電量大、出口氣體或溫度過高等現(xiàn)象。因此,為了降低耗電量,確保管路壓力的穩(wěn)定性,本文采用先進(jìn)的傳感器及數(shù)據(jù)處理技術(shù),從而實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)的智能聯(lián)動(dòng)控制[1]。
單螺桿空壓機(jī)主要由主機(jī)和輔機(jī)兩部分構(gòu)成,主機(jī)包括螺桿空壓機(jī)主機(jī)及主電機(jī),輔機(jī)包括進(jìn)排氣系統(tǒng)、油氣分離系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及電氣控制部分組成,如圖1 所示。
圖1 單螺桿空壓機(jī)主要結(jié)構(gòu)
如圖1 所示,為單螺桿空壓機(jī)的工作原理圖,其作業(yè)流程分為吸氣、壓縮及排氣三個(gè)過程。吸氣過程螺桿螺槽在星輪齒尚未嚙入前與吸氣腔相通,處于吸氣狀態(tài),當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)到一定位置,星輪齒將螺槽封閉,此時(shí)吸氣過程結(jié)束[2];壓縮過程即吸氣過程結(jié)束后,螺桿繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),隨著星輪齒沿著螺槽推進(jìn),封閉的工作容積逐漸減小,實(shí)現(xiàn)氣體的壓縮過程,當(dāng)工作容積與排氣孔口連通時(shí),壓縮過程結(jié)束;排氣過程即工作容積與排氣孔口通后,螺桿繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),被壓縮氣體由排氣孔口輸送至排氣管道直至星輪齒脫離螺槽為止。
智能聯(lián)動(dòng)控制即實(shí)現(xiàn)3 臺(tái)空壓機(jī)之間的智能聯(lián)動(dòng)控制,從而依據(jù)設(shè)備的作業(yè)狀況實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制所有設(shè)備的運(yùn)行狀況??諌簷C(jī)的控制主要表現(xiàn)為啟停設(shè)備、加載卸載控制及啟動(dòng)空壓機(jī)數(shù)量等。對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行在線監(jiān)測是保障智能聯(lián)動(dòng)控制功能實(shí)現(xiàn)的前提,監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)PLC 控制器進(jìn)行分析處理后,再通過工業(yè)以太網(wǎng)、MODBUS 通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù),從而使顯示、記錄、故障報(bào)警等功能得以實(shí)現(xiàn)[3]。
綜合智能聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)分為上、中、下三個(gè)層次,分別為數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測存儲(chǔ)與預(yù)警層、數(shù)據(jù)通信及信號(hào)傳輸層、數(shù)據(jù)檢測采集與控制層。
數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測存儲(chǔ)與預(yù)警層即上層的功能主要為數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)、曲線查詢、超限預(yù)警等;數(shù)據(jù)通信及信號(hào)傳輸層即中層包含以太網(wǎng)和RS485 總線模塊等;數(shù)據(jù)檢測采集與控制層即下層的功能為通過電參數(shù)采集模塊和傳感器檢測模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與控制。
考慮到空壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能,本文的硬件選型設(shè)計(jì)對(duì)象主要為相關(guān)傳感器和核心PLC 控制器。
如表1 所示,參考空壓機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測項(xiàng)目,確定了空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)傳感器的具體選型結(jié)構(gòu),其將傳感器設(shè)備分為溫度、壓力、振動(dòng)傳感器。
表1 空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)傳感器的選型
遠(yuǎn)程監(jiān)測和智能聯(lián)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)的核心在于PLC控制器,本文采用的是S7-200 226CN 型PLC 控制器,其具有可靠性高、響應(yīng)速度較好的優(yōu)點(diǎn)。該型號(hào)的PLC 控制器具有26 個(gè)開關(guān)輸入量、16 個(gè)開關(guān)輸出量。對(duì)于空壓智能控制系統(tǒng)所需監(jiān)測和控制的項(xiàng)目,空壓機(jī)系統(tǒng)所需的開關(guān)輸入量和開關(guān)輸出量均為16 點(diǎn)。
統(tǒng)計(jì)空壓機(jī)系統(tǒng)的模擬量輸入及輸出點(diǎn)數(shù)情況,其空壓機(jī)系統(tǒng)需擴(kuò)展兩個(gè)AI/AO 模塊其型號(hào)為EM235;四個(gè)AI 模塊其型號(hào)為EM231。
本文中的礦用單螺桿空壓機(jī)的智能聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)包括以下三部分:空壓機(jī)運(yùn)行過程中的溫度、壓力等參數(shù)實(shí)時(shí)采集與顯示,歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)查詢功能;通過設(shè)置的壓力傳感器、溫度傳感器等實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)的斷油、超溫、超壓等保護(hù);具有就地和遠(yuǎn)程控制功能,遠(yuǎn)程控制分為遠(yuǎn)程手動(dòng)控制及遠(yuǎn)程自動(dòng)控制,遠(yuǎn)程手動(dòng)控制即可遠(yuǎn)程單獨(dú)控制某臺(tái)空壓機(jī)的啟、停;遠(yuǎn)程自動(dòng)控制依據(jù)空壓機(jī)母管氣體的溫度、壓力以及空壓機(jī)的運(yùn)行時(shí)間、潤滑油的溫度等,來合理控制空壓機(jī)的啟動(dòng)臺(tái)數(shù)及啟動(dòng)時(shí)間。其中,遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)為空壓機(jī)智能聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)核心。該系統(tǒng)用1 臺(tái)PLC作為控制核心,分別與3 臺(tái)空壓機(jī)進(jìn)行RS485 通信,實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、停止、壓力/溫度、空壓機(jī)輪換等控制;并實(shí)時(shí)讀取每臺(tái)空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、壓力/溫度等顯示參數(shù),也可在手動(dòng)模式下對(duì)每臺(tái)空壓機(jī)獨(dú)立控制。
同時(shí)在PC 端安裝WINCC 組態(tài)與PLC 通訊,用作后臺(tái)監(jiān)控,進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、發(fā)送及存儲(chǔ),來控制空壓機(jī)的運(yùn)行,如圖2 所示。
圖2 系統(tǒng)配置圖
此外,該智能聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了各空壓機(jī)運(yùn)行狀況間的聯(lián)動(dòng)控制,具體體現(xiàn)在對(duì)啟停順序和運(yùn)行時(shí)間方面的控制。啟動(dòng)順序控制原則為依據(jù)母管的壓力情況確定空壓機(jī)的啟動(dòng)數(shù)量。
1)啟動(dòng)運(yùn)行:設(shè)置為聯(lián)控狀態(tài),在所有機(jī)器備妥待機(jī)的狀態(tài)下,1 號(hào)啟動(dòng),進(jìn)入加載狀態(tài),在設(shè)定的延時(shí)30 min 到達(dá)設(shè)定壓力,如果壓力未達(dá)到要求,那么2 號(hào)機(jī)啟動(dòng),聯(lián)動(dòng)延時(shí)30 min 到達(dá),如果壓力還是沒有達(dá)到用氣要求,那么3 號(hào)機(jī)啟動(dòng)。
2)加載、卸載運(yùn)行:空壓機(jī)加載過程不改變,空壓機(jī)啟動(dòng)后,根據(jù)管網(wǎng)壓力進(jìn)行卸載。
3)空壓機(jī)輪換、停機(jī):假設(shè)當(dāng)前1 號(hào)空壓機(jī)運(yùn)行滿足用氣要求,2 號(hào)、3 號(hào)空壓機(jī)處于待機(jī)備妥狀態(tài),1號(hào)空壓機(jī)持續(xù)運(yùn)行至設(shè)定時(shí)間72 h,則自動(dòng)切換至下1 臺(tái)空壓機(jī)運(yùn)行;假設(shè)多臺(tái)空壓機(jī)同時(shí)運(yùn)行,滿足用氣需求的同時(shí),若其中某臺(tái)空壓機(jī)的空載率達(dá)到70%,則根據(jù)空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)長,運(yùn)行時(shí)間長的空壓機(jī)自動(dòng)停止運(yùn)行并處于備妥狀態(tài);假設(shè)多臺(tái)空壓機(jī)同時(shí)運(yùn)行,若其中某臺(tái)空壓機(jī)空久停車時(shí)間達(dá)到設(shè)定時(shí)間30 min,則這臺(tái)空壓機(jī)立即停機(jī)并處于備妥狀態(tài)。
空壓機(jī)作為礦井作業(yè)中為風(fēng)泵、風(fēng)鎬和風(fēng)鉆等設(shè)備提供驅(qū)動(dòng)力的重要設(shè)備,不僅降低了其耗電量,而且有效提升了空壓機(jī)系統(tǒng)的智能化和自動(dòng)化水平,對(duì)實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)智能聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)意義重大。在遠(yuǎn)程監(jiān)測空壓機(jī)運(yùn)行狀況的情況下,空壓機(jī)間的智能聯(lián)動(dòng)控制綜合管網(wǎng)壓力以及空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、潤滑油的溫度等,管網(wǎng)的壓力值得以實(shí)現(xiàn)控制,從而合理控制空壓機(jī)的啟動(dòng)臺(tái)數(shù)及啟動(dòng)時(shí)間,以達(dá)到降低空壓機(jī)能耗的目的。