楊如坤

（中國平煤神馬集團平煤股份二礦，河南 平頂山 467000）

引言

煤礦壓風(fēng)機在煤礦井下設(shè)備中起著重要的作用，是重要的動力源之一，也被稱為空氣壓縮機。煤礦壓風(fēng)機為鑿巖機、風(fēng)鎬、氣動噴砂、風(fēng)鉆等提供動力，其原理是進行能量的轉(zhuǎn)換，通過壓縮空氣做功產(chǎn)生內(nèi)能，傳輸在其他設(shè)備將其轉(zhuǎn)化為機械能。傳統(tǒng)的煤礦用壓風(fēng)機主要是由邏輯控制器和繼電器構(gòu)成，存在很多的弊端，比如可靠性不高、穩(wěn)定性差、實時性不能夠很好地保證等。然而，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，將之前的問題都得以很好地優(yōu)化，現(xiàn)在壓風(fēng)機的控制系統(tǒng)主要以PLC 控制器為核心，不僅提高了其穩(wěn)定性，而且有效地保證了實時性。目前，國內(nèi)外針對如何設(shè)計遠程自動控制系統(tǒng)，并且能夠讓壓風(fēng)機在工作中提高自動控制水平的同時，保證之前的穩(wěn)定性和實時性，成為首要解決的問題。針對壓風(fēng)機的遠程自動控制系統(tǒng)，國內(nèi)外的相關(guān)學(xué)者進行了大量的研究，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)存在誤動作頻發(fā)、故障發(fā)生次數(shù)多等缺陷，通過以TMS320-C3 微控制器為核心，模塊化思想用在控制系統(tǒng)中，解決了之前所面臨的問題[1]。另外，以PLC 單片機為核心處理器，這種方法在控制系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)采集精度的精準性、工作穩(wěn)定性高且該方案的成本較低；然而弊端就是在工作的過程中出現(xiàn)故障的頻率較高，開發(fā)周期長。西方國家主要在SmartAir Master 智能控制器、eConnectTM 管理系統(tǒng)、自適應(yīng)壓風(fēng)機管理器“SAM”方面進行研究，在壓風(fēng)機的智能化、按需控制、自動適應(yīng)方面取得了有效的成果?；赑LC 控制技術(shù)和傳感器技術(shù)設(shè)計遠程自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)壓風(fēng)機在監(jiān)測方面以及遠程控制方面較大的提升。

1 系統(tǒng)組成

壓風(fēng)機的遠程控制系統(tǒng)，其原理是通過上位機遠程監(jiān)控系統(tǒng)向太通信環(huán)網(wǎng)發(fā)出信號，并且接受控制系統(tǒng)發(fā)送的相關(guān)數(shù)據(jù)。井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)和交換機構(gòu)成實時以太網(wǎng)，其優(yōu)點是實時性可靠、進行數(shù)據(jù)傳輸效率高、擁塞率低，能夠很好地匹配壓風(fēng)機的數(shù)據(jù)傳輸和接受相關(guān)指令。設(shè)計四組壓風(fēng)機系統(tǒng)，通過2 個攝像頭和控制柜1 號、2 號、3 號、4 號來進行控制，其中每個控制柜都有執(zhí)行和監(jiān)測模塊。執(zhí)行模塊的作用是負責(zé)空壓機的開關(guān)機、加減速等基本操作；監(jiān)測模塊的作用是對空壓機系統(tǒng)在振動、溫度和壓力等方面進行實時監(jiān)測。遠程控制系統(tǒng)上位機主要是在King SCADA 平臺來進行作業(yè)的，通過該平臺來進行界面設(shè)計、接受數(shù)據(jù)以及傳輸指令[2]；下位機是基于PLC 控制器，在接收上位機的指令的基礎(chǔ)上，同時接收其他傳感器的數(shù)據(jù)在邏輯控制上運用；通過上位機和下位機的相互配合，從而實現(xiàn)壓風(fēng)機的遠程控制功能。

2 硬件設(shè)計

煤礦壓風(fēng)機的遠程控制系統(tǒng)主要是基于PLC 控制器，通過擴展模塊的思想來進行的。分析壓風(fēng)機遠程控制系統(tǒng)模擬量、輸入和輸出開關(guān)量，最終確定以西門子57-300 系列PLC 及其擴展模塊，能夠有效地解決了遠程控制系統(tǒng)中的時效性差等問題。壓力傳感器主要作用是實時監(jiān)測冷卻水管壓力、母管壓力和潤滑油的壓力。需保證傳感器能夠及時有效地監(jiān)測出的壓力值，這樣能夠有效提高壓風(fēng)機的工作穩(wěn)定性、安全可靠性。通常，BYDl1.6 型礦用隔爆壓力傳感器作為常用的壓力傳感器，其工作電壓為DC24 V，最大工作壓力為2.5 MPa，能夠滿足風(fēng)壓機控制系統(tǒng)所要求的環(huán)境。振動傳感器主要負責(zé)在工作過程中電動機振動以及運行狀況的監(jiān)測，從而避免電動機出現(xiàn)故障、使得電機能夠在正常狀態(tài)下運行。選用的XZD-YB一體化防爆振動變送器能夠?qū)崿F(xiàn)電動機機殼振動的監(jiān)測、電動機軸系振動的監(jiān)測，并且也能夠在滾動軸承問題、轉(zhuǎn)子問題等方面導(dǎo)致電動機發(fā)生異常振動的監(jiān)測。該振動傳感器能夠在煤礦井下的環(huán)境中正常運行，其有效監(jiān)測的范圍是0～10 mm/s。溫度傳感器的作用是能夠?qū)﹄妱訖C中潤滑油的溫度和冷卻液的溫度進行一個實時監(jiān)測，選用的型號是FST600-205，采用標準的PT100 元件。該傳感器中內(nèi)部裝有自動補償、抗電磁干擾以及抗射頻的電路，在工作過程中穩(wěn)定性較好、監(jiān)測精度高、收集數(shù)據(jù)靈活等優(yōu)勢。其溫度傳感器的工作電壓為DC24 V，最大量程為150 ℃，輸出信號為標準4～20 mA 電流信號。選用的攝像頭是KBA153 型號，是煤礦井下專用的光纖攝像儀，能夠在井下瓦斯?jié)舛雀?、煤塵量大的環(huán)境中工作。并且該攝像儀在進行視屏信號傳輸時通過光纖光纜，能夠有效地應(yīng)用在粉塵量大、潮濕的環(huán)境中。

3 軟件設(shè)計

3.1 PLC 程序設(shè)計

基于煤礦壓風(fēng)機遠程控制系統(tǒng)的PLC 程序，通過以梯形圖的形式在西門子57-300 PLC 控制器中采用。在該軟件程序控制設(shè)計中，給系統(tǒng)通電，進行系統(tǒng)的初始化參數(shù)配置，將遠程控制系統(tǒng)所需要的變量、內(nèi)存進行初始化，并且將電機和上位機參數(shù)進行匹配。通過建立控制系統(tǒng)與上位機的TCP/IP 通信連接，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸以及指令傳送。TCP/IP 通信連接建立完成后，PLC 控制器將振動傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行采集，并且進行和標準值比較。在數(shù)據(jù)顯示正常的情況下，上位機能夠正常顯示，壓風(fēng)機通過接收指令進行正常工作；如果對傳感器采集的數(shù)據(jù)比較出現(xiàn)異常時，則開啟報警和故障子程序進行故障排查。若能夠?qū)⒐收献詣踊謴?fù)，則將壓風(fēng)機自動控制系統(tǒng)進行正常工作；若不能夠解決故障，則停機進入緊急狀態(tài)，避免出現(xiàn)事故[3]。

3.2 自動控制平臺設(shè)計

基于King SCADA 軟件平臺，對數(shù)據(jù)進行實時的顯示以及將控制指令進行實時傳輸。該煤礦壓風(fēng)機遠程控制平臺界面主要有手動狀態(tài)、數(shù)據(jù)查詢、用戶注銷、水泵控制、曲線查詢、視頻監(jiān)控、故障報警等，各個界面相互結(jié)合，共同完成對煤礦的遠程控制和監(jiān)測功能。PLC 控制系統(tǒng)能夠?qū)Ω鱾€傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)及時獲取，經(jīng)TCP/IP 通信連接后上傳至上位。通過對接收的數(shù)據(jù)進行比較確認以后，才可以將數(shù)據(jù)進行正常顯示。自動控制平臺將井下1 號、2 號、3 號、4 號壓風(fēng)機的工作狀態(tài)實時顯示，且能夠?qū)崿F(xiàn)遠程控制啟動或者關(guān)閉壓風(fēng)機。

在自動控制平臺的主界面中可以看到，1 號和4號壓風(fēng)機為“設(shè)備運行”狀態(tài)，同時能夠在主界面中查看運行電流、本次運行時間、運行次數(shù)、運行電壓等。在查看“參數(shù)設(shè)置”“數(shù)據(jù)監(jiān)控”等選項時，可以點擊左側(cè)按鈕，就能夠進入查看該選項的界面。

4 壓風(fēng)機自動控制系統(tǒng)功能

4.1 監(jiān)控功能

1）實際環(huán)境中，壓風(fēng)機工作過程的監(jiān)控，主要監(jiān)控管道流量、排氣壓力、管內(nèi)壓力、排氣溫度等數(shù)據(jù)。

2）其他受控設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測，主要監(jiān)測冷風(fēng)機電動機、壓風(fēng)機的電氣參數(shù)，閥門開關(guān)狀態(tài)信息、冷卻系統(tǒng)冷卻水流量參數(shù)等。

4.2 曲線查詢功能

1）在工作周期內(nèi)，系統(tǒng)運行參數(shù)曲線查詢，主要有各個設(shè)備的排氣壓力、流量、溫度的時間曲線，電動機電流、電壓的曲線，以及故障信息曲線如圖1 所示。

圖1 壓風(fēng)機故障信息曲線圖

2）所有可查詢信息的打印。

4.3 控制功能

1）提供三種控制方式，即手動控制、自動控制和集控控制，適應(yīng)相關(guān)設(shè)備的獨立檢查和維修，自動化要求和一鍵啟動的需要，系統(tǒng)風(fēng)壓低時，能夠?qū)崿F(xiàn)自動補壓，系統(tǒng)風(fēng)壓高時，能夠?qū)崿F(xiàn)自動停機降低風(fēng)壓，進而實現(xiàn)無人進行開守的狀態(tài)。

2）針對于多臺壓風(fēng)機系統(tǒng)，通過對排氣溫度數(shù)據(jù)以及壓風(fēng)管路壓力數(shù)據(jù)的收集，按照控制邏輯原則實現(xiàn)自動調(diào)整多臺壓風(fēng)機的啟動和停止。

4.4 報警功能

當(dāng)系統(tǒng)在工作時如監(jiān)測到參數(shù)和正常值有很大的差距，將參數(shù)傳輸?shù)娇刂乒馪LC，開啟報警程序。根據(jù)不同的故障信息，對應(yīng)的控制邏輯是有差別的，對于那些對系統(tǒng)正常運行不造成影響的故障，只是開啟聲光報警，并且將相應(yīng)的故障進行記錄，通過故障顯示界面顯示出來。然而對于那些對系統(tǒng)正常運行造成影響的或者影響主功能實現(xiàn)的故障，通過啟動停止系統(tǒng)的某些設(shè)備或者是停止整個系統(tǒng)，直到故障完全被排查解決以后，才能夠重新啟動系統(tǒng)或者設(shè)備。

5 工業(yè)試驗分析

在某煤礦中將設(shè)計的煤礦風(fēng)壓機遠程自動控制系統(tǒng)進行工業(yè)試驗，基于遠程控制系統(tǒng)，通過對1 號、2 號、3 號和4 號風(fēng)壓機的遠程控制，實現(xiàn)遠程開機和關(guān)機的任務(wù)，并且在系統(tǒng)運作時監(jiān)測風(fēng)壓機電流、電壓以及工作狀態(tài)等重要的數(shù)據(jù)；同時能夠?qū)崿F(xiàn)4 臺分壓機的相互切換。在對風(fēng)壓機進行半年的試驗以后，可以得出在遠程自動控制系統(tǒng)下，風(fēng)壓機能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定運行，且系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新實時性強的優(yōu)點。