胡 峰，薛彥波

中煤科工集團重慶研究院有限公司 重慶 400039

花 山煤礦壓風機監(jiān)控系統(tǒng)自動化程度低，系統(tǒng)不能變頻節(jié)能控制，卸載運行期間產(chǎn)生了不必要的能耗。為幫助礦方節(jié)約成本，筆者在壓風機控制程序設計方面運用了一種新的階梯式控制策略，通過對壓風機控制程序的優(yōu)化實現(xiàn)了壓風機系統(tǒng)的階梯式控制，達到了減少設備空載運行能量損耗和降低設備啟停機頻率的目的，實現(xiàn)了花山煤礦壓風機監(jiān)控系統(tǒng)的智能化控制。

1 系統(tǒng)主要受控設備及采集信號

壓風機在線監(jiān)控系統(tǒng)的主要受控設備包括：3 臺具備標準 Modbus 接口的螺桿空氣壓風機、2 臺儲氣罐 (排氣罐) 排污閥、3 臺壓風機排氣閥。其中壓風機品牌為復盛牌，冷卻方式為風冷，驅(qū)動電動機功率為315 kW，最大排氣壓力為 0.85 MPa?；ㄉ矫旱V要求的壓風機排氣壓力控制指標為 0.60～0.80 MPa。

壓風機在線監(jiān)控系統(tǒng)的主要采集信號：3 臺壓風機的運行信號、3 臺排氣閥門的開關到位信號、2 臺排污閥的開關到位信號、3 臺壓風機的排氣壓力信號、壓風機系統(tǒng)總管壓力和溫度信號、2 臺儲氣罐溫度信號和 3 臺煙霧傳感器信號。

2 系統(tǒng)總體設計

該壓風機控制系統(tǒng)借助于礦方的工業(yè)以太網(wǎng)傳輸平臺，建立了后臺數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)傳輸層和現(xiàn)場設備控制層 3 層監(jiān)測控制系統(tǒng)。其中后臺處理中心主要由工控電腦、工業(yè)組態(tài)軟件和打印設備組成；中間傳輸層為煤礦工業(yè)以太網(wǎng)；現(xiàn)場控制層主要由現(xiàn)場PLC 控制柜、壓風機設備控制箱、溫度傳感器、壓力傳感器、煙霧傳感器和電動球閥組成。壓風機壓風機監(jiān)控系統(tǒng)如圖 1 所示。

3 PLC 集控設計

3.1 硬件組態(tài)設計

壓風機硬件組態(tài)以西門子 300 系列 PLC為控制核心，如圖 2 所示。硬件組態(tài)中主機架包含西門子PS307 5 A 電源模塊 1 套、315-2 PN/DP CPU 模塊1 套、IM365 擴展模塊 1 套、CP340-RS422/485 通信模塊 2 套、DI32*DC 24 V 數(shù)字量輸入模塊 2 套、DO32*DC 24 V/0.5 A 數(shù)字量輸出模塊 2 套。擴展機架包含 IM365 擴展模塊 1 套、AI8*13 bit 模擬量輸入模塊 3 套、CP340-RS422/485 通信模塊 1 套、AO8*12 bit 模擬量輸出模塊 1 套。

3.2 PLC 控制器軟件流程設計

壓風機系統(tǒng)的程序采用模塊化設計，整個程序設計分為信號檢測模塊、壓風機半自動控制模塊和壓風機全自動控制模塊。

信號檢測模塊的主要功能是在線監(jiān)測壓風機運行狀態(tài)、閥門的開關狀態(tài)、壓風機儲氣罐壓力及溫度、總管壓力及溫度、煙霧故障報警、壓風機運行參數(shù)和電量參數(shù)。

壓風機半自動控制模塊是操作人員在現(xiàn)場或者在遠程控制模式下根據(jù)壓風機故障報警、壓風機總管壓力等情況一鍵啟動或停止相應壓風機。壓風機達到自身壓力高限 0.80 MPa 時，如果持續(xù)超過 1 min 就卸載運行；壓風機達到自身壓力低限 0.60 MPa，若持續(xù) 5 min 將加載運行。

壓風機全自動控制模塊的設計比較復雜，需要根據(jù)礦方的實際情況來具體設計。以攀煤公司花山的具體情況為例，該礦每臺壓風機自身高限卸載壓力為 0.80 MPa，低限值開機壓力為 0.60 MPa，高限卸載壓力持續(xù)檢測時間為 1 min，低限開機持續(xù)檢測時間為 5 min。礦方要求井下供風壓力保持在 0.60～0.80 MPa，并且要求減少設備卸載運行時間，以降低能耗損失，同時需要防止壓風機頻繁啟停。為了解決上述技術問題，筆者采用階梯式控制策略，將 PLC 程序中 1、2、3 號壓風機的設定高限停機壓力值分別設為 0.80、0.78、0.76 MPa，低限啟機壓力值分別設為0.64、0.62、0.60 MPa，高限停機壓力持續(xù)檢測時間為20 s，低限開機持續(xù)檢測時間為 3 min。這樣可以規(guī)避壓風機進入卸載運行模式，壓風機會根據(jù) PLC 程序低限啟機壓力值自動啟動，高限停機壓力值自動停止。PLC 控制流程如圖 3 所示。通過階梯式的控制方式使得壓風機在沒有變頻器控制的條件下達到最佳節(jié)能與控制效果，同時多臺壓風機可通過 PLC 程序修改高低限壓力值的方式改變設備啟停優(yōu)先級，并且可以自主選擇壓風機自動投入數(shù)量。

3 臺壓風機給井下供風的初期，由于總管壓力很低，系統(tǒng)會同時啟動，井下的供風壓力將迅速增大，當總管壓力達到 0.76 MPa 持續(xù) 1 min，3 號壓風機將停止，此時會出現(xiàn)以下情況。

(1) 井下用風量增大，總管壓力持續(xù)下降，到0.60 MPa 以下持續(xù) 3 min，3 號壓風機啟動補壓，總管壓力維持在 0.60 MPa 以上。

(2) 1、2 號壓風機運行，總管壓力維持在 0.60～0.78 MPa，證明 1、2 號壓風機運行剛好滿足井下用風需求。

(3) 1、2 號壓風機運行，總管壓力上升達到 0.78～ 0.80 MPa 持續(xù) 20 s，2 號壓風機將停止。此時又可以出現(xiàn)以下幾種情況：①如果壓力維持在 0.62～0.80 MPa，說明此時 1 號壓風機剛好滿足井下供風需求；② 井下用風量增大，總管壓力將降到 0.62 MPa 以下持續(xù) 3 min，再次開啟 2 號壓風機自動補壓，如果總管壓力持續(xù)下降到 0.60 MPa 以下 3 min，系統(tǒng)將開啟3 號壓風機自動補壓；③2 號壓風機停止以后，總管壓力升高至 0.80 MPa 持續(xù)時間 20 s 后，1 號壓風機將停機，防止系統(tǒng)進入卸載運行狀態(tài)，減少能量損耗；④ 當總管壓力低于 0.64 MPa 持續(xù) 3 min，1 號壓風機將自動啟動補壓，整個階梯式控制過程以此類推。

通過上述方式實現(xiàn)了老舊礦井在壓風機無變頻器條件下的全自動階梯控制，減少了壓風機的空載運行時間和頻繁啟停次數(shù)。同時系統(tǒng)會根據(jù)總管壓力自動決定投入壓風機運行的臺數(shù)，以滿足井下用風需求，達到減員增效、優(yōu)化控制的效果，讓每臺壓風機得到充分利用。

4 軟件設計

工程師站軟件界面如圖 4 所示。工程師站軟件采用亞控公司的 King SCADA 組態(tài)軟件開發(fā)設計，整個軟件采用 C 語言腳本實現(xiàn)畫面的動態(tài)展示。SCADA軟件具有強大的圖表展示功能、完善的報警服務功能并提供了豐富的函數(shù)和接口支持，易于開發(fā)。操作人員可以通過工程師站軟件，詳細直觀地了解每臺壓風機系統(tǒng)的運行狀況與主要參數(shù)，同時可以在線查詢實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)、操作權(quán)限、操作記錄、運行記錄等關鍵數(shù)據(jù)信息，歷史數(shù)據(jù)和報警數(shù)據(jù)支持報表生成及打印功能。

5 結(jié)語

壓風機階梯式控制策略通過在花山煤礦的實際應用，使該礦壓風機系統(tǒng)在無變頻器條件下實現(xiàn)了無人值守全自動、階梯式控制，更好地減少了壓風機的空載運行時間和頻繁啟停次數(shù)。同時系統(tǒng)會根據(jù)總管壓力自動決定投入壓風機運行的具體臺數(shù)，使壓風機的總管壓力維持在 0.60～0.80 MPa，滿足了設計要求和井下用風需求。與原控制方式相比，控制策略大約節(jié)能 10%，達到了減員增效，優(yōu)化控制的效果。該控制策略可以廣泛地應用于不具備變頻功能且需要節(jié)能降耗、減員增效的煤礦壓風機系統(tǒng)，具有重要的推廣應用價值。