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        基于PLC 煤礦空壓機(jī)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

        2023-10-19 10:34:52宮殿強(qiáng)
        山東煤炭科技 2023年9期
        關(guān)鍵詞:節(jié)約煤礦智能

        宮殿強(qiáng)

        (山西大同大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山西 大同 037003)

        虎龍溝煤業(yè)公司地面空壓機(jī)站以往采用的人工就地控制系統(tǒng)落后,系統(tǒng)穩(wěn)定性不高,供氣質(zhì)量得不到保證,煤礦生產(chǎn)存在安全隱患,降低了設(shè)備使用壽命。因此,必須對(duì)空壓機(jī)站控制系統(tǒng)進(jìn)行智能化改造[1-6],實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的無人值守。

        1 工程概況

        虎龍溝煤業(yè)公司位于山西省懷仁縣,井田面積12.21 km2,可采儲(chǔ)量6 345.4 萬t,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120 萬t/a。虎龍溝煤業(yè)地面空壓機(jī)站布設(shè)有4 臺(tái)MLG30/8-200G 煤礦用螺桿式空壓機(jī),4 臺(tái)空壓機(jī)通過主管路連接,正常生產(chǎn)時(shí)3 臺(tái)工作1 臺(tái)備用;當(dāng)空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)故障后,則立即啟用備用壓縮機(jī),停止故障壓縮機(jī)工作,及時(shí)進(jìn)行維修處理。

        虎龍溝煤業(yè)公司空壓機(jī)主要采用人工就地控制方式,值守工作人員在空壓機(jī)站值班時(shí)間內(nèi)需要對(duì)空壓機(jī)的啟停、冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行關(guān)閉進(jìn)行人工操作??諌簷C(jī)人工就地控制方式存在以下問題:1)人工操作無法保障空壓機(jī)能提供相對(duì)穩(wěn)定的供氣條件,供氣質(zhì)量得不到保證;2)空壓機(jī)站為溫度高、噪音大的惡劣環(huán)境,影響到工人的身體健康,影響其正常作業(yè),煤礦生產(chǎn)存在安全隱患;3)人工就地控制方式不利于設(shè)備的維護(hù)和管理,影響設(shè)備的使用壽命。針對(duì)空壓機(jī)站人工就地控制方式存在的問題,針對(duì)性設(shè)計(jì)了一種基于PLC 的空壓機(jī)智能控制系統(tǒng),為保障煤礦壓風(fēng)供應(yīng)及安全生產(chǎn)提供基礎(chǔ)。

        2 基于PLC 的空壓機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

        基于PLC 的空壓機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1,主要包括主站工控機(jī)、PLC 控制柜、從站PLC 控制柜、壓力溫度開停三類傳感器、電磁閥及報(bào)警器、壓風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊等組成。

        圖1 基于PLC 的空壓機(jī)智能控制系統(tǒng)示意圖

        系統(tǒng)采用PLC 及控制網(wǎng)絡(luò)對(duì)空壓機(jī)壓風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)、電磁閥及報(bào)警器等數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行智能控制和監(jiān)控。主站PLC 與4 個(gè)從站PLC 之間采用RS-485 總線通信方式。主站PLC 控制柜主要是對(duì)空壓機(jī)壓力、溫度、運(yùn)行時(shí)間、電機(jī)電壓、電機(jī)電流、輸出功率等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。從站PLC控制柜對(duì)受控空壓機(jī)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,對(duì)空壓機(jī)實(shí)現(xiàn)就地控制,對(duì)故障及維修狀態(tài)空壓機(jī)實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制,對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行故障預(yù)警,完成與主站PLC 的通信。

        2.2 系統(tǒng)功能分析

        該空壓機(jī)智能控制系統(tǒng)采用集散式控制方式,由1 臺(tái)主站PLC 控制器和4 臺(tái)從站PLC 控制器共同完成空壓機(jī)站的監(jiān)控和智能控制,其主要功能如下:

        1)可對(duì)空壓機(jī)實(shí)施遠(yuǎn)程智能自動(dòng)一鍵啟停操作。煤礦在不同的生產(chǎn)階段和生產(chǎn)條件下對(duì)壓風(fēng)量的需求不同,主要是通過控制空壓機(jī)工作臺(tái)數(shù)來進(jìn)行壓風(fēng)量調(diào)節(jié)。當(dāng)煤礦需要的壓風(fēng)量逐漸減少時(shí),系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)到管道壓力參數(shù)的變化,管道壓力參數(shù)到過閾值后系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)施智能一鍵停止空壓機(jī)工作;同理,當(dāng)煤礦需要的壓風(fēng)量逐漸增加時(shí),系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)到管道壓力參數(shù)的變化,管道壓力參數(shù)到過閾值后系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)施智能一鍵開啟空壓機(jī)工作。

        2)可實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)站內(nèi)不同空壓機(jī)工作時(shí)間及狀態(tài)的合理分配。該煤礦空壓機(jī)站采用3 用1 備工作模式,在正常工作時(shí)系統(tǒng)可對(duì)備用空壓機(jī)實(shí)施智能輪流工作,保障備用空壓機(jī)在特殊狀況下需要工作時(shí)無故障發(fā)生,如存在故障可在輪流工作時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行維修,消除安全隱患。

        3)對(duì)空壓機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。主從PLC 控制器可對(duì)各設(shè)備信號(hào)及時(shí)采集和處理分析,如發(fā)現(xiàn)運(yùn)行空壓機(jī)存在故障,系統(tǒng)會(huì)及時(shí)進(jìn)行預(yù)警,在停止故障空壓機(jī)工作的同時(shí)開啟備用空壓機(jī),保障煤礦壓風(fēng)量的需求。

        3 智能控制系統(tǒng)硬件及控制程序設(shè)計(jì)分析

        3.1 系統(tǒng)硬件

        空壓機(jī)智能控制系統(tǒng)主控制單元硬件如圖2。主站PLC 采用西門子PLCS7-300 系列可編程控制器。該P(yáng)LC 控制器各種性能的模塊可以非常好地滿足和適應(yīng)煤礦空壓機(jī)站自動(dòng)化控制任務(wù),簡單實(shí)用的分布式結(jié)構(gòu)和多界面網(wǎng)絡(luò)能力,應(yīng)用十分靈活,集成輸入量28 個(gè)、輸出量18 個(gè)。

        圖2 空壓機(jī)智能控制系統(tǒng)主控制單元硬件示意圖

        從站PLC 控制器采用西門子S7-200CPU224 可編程控制器。該P(yáng)LC 控制器含有RS-485 串口,數(shù)字量輸入點(diǎn)14 個(gè)、輸出點(diǎn)10 個(gè)。S7-200CPU224 小型PLC 控制模塊結(jié)構(gòu)緊湊,成本低廉,功能強(qiáng)大,可較好地適應(yīng)煤礦空壓機(jī)站復(fù)雜工況自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

        3.2 控制程序設(shè)計(jì)

        空壓機(jī)站PLC 智能控制系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì),根據(jù)對(duì)應(yīng)功能事件編寫對(duì)應(yīng)子程序,程序具有可讀性和易維護(hù)性、可調(diào)性和可擴(kuò)充性。空壓機(jī)站PLC 智能控制系統(tǒng)主程序框架圖如圖3,該系統(tǒng)上電自啟動(dòng)程序→系統(tǒng)初始化及參數(shù)設(shè)置→主程序,對(duì)空壓機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及處理,如分析到采集數(shù)據(jù)無超限情況發(fā)生,判斷壓風(fēng)系統(tǒng)正常,可按正常情況對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行啟停控制;如分析到采集數(shù)據(jù)超限,則判斷壓風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常,進(jìn)而進(jìn)入到報(bào)警中斷程序→故障處理程序,視故障處理結(jié)果進(jìn)入到正常運(yùn)轉(zhuǎn)或緊急停機(jī)。

        圖3 空壓機(jī)站PLC 智能控制系統(tǒng)主程序框架圖

        智能控制系統(tǒng)故障檢測(cè)程序流程如圖4。當(dāng)程序檢測(cè)到空壓機(jī)運(yùn)行中發(fā)生故障,智能控制系統(tǒng)可自動(dòng)對(duì)故障機(jī)組發(fā)出停機(jī)指令并啟動(dòng)備用空壓機(jī)組。已停機(jī)的故障機(jī)組設(shè)備受分站PLC 控制器單獨(dú)控制,讓其處于檢修狀態(tài)下,不受智能控制系統(tǒng)監(jiān)控,等待故障消除后重新連接到智能控制系統(tǒng)中來。

        圖4 智能控制系統(tǒng)故障檢測(cè)程序流程圖

        4 應(yīng)用效果分析

        4.1 效果分析

        2021 年12 月,虎龍溝煤業(yè)地面空壓機(jī)站4 臺(tái)MLG30/8-200G 煤礦用螺桿式空壓機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了基于PLC 煤礦空壓機(jī)智能控制系統(tǒng)的安裝改造,調(diào)試后投入到了實(shí)踐應(yīng)用當(dāng)中。當(dāng)前該P(yáng)LC 煤礦空壓機(jī)智能控制系統(tǒng)已運(yùn)行有一年之久,空壓機(jī)站及智能控制系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定,智能控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)壓風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)的在線智能監(jiān)控,能實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)故障的智能檢測(cè)及預(yù)警等功能,能智能分配空壓機(jī)工作時(shí)間等功能,無一起因控制系統(tǒng)問題導(dǎo)致的空壓機(jī)安全事故發(fā)生。

        智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果理想,具有以下優(yōu)點(diǎn):1)智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用取代了以往的人工就地控制方式,實(shí)現(xiàn)了壓風(fēng)機(jī)站的無人值守,減輕了工人崗位;2)對(duì)空壓機(jī)故障進(jìn)行智能檢測(cè)及預(yù)警,自動(dòng)化程度高,有效提高了設(shè)備故障的檢修效率;3)智能分配空壓機(jī)工作時(shí)間后,有效降低了空壓機(jī)的磨損,提高了設(shè)備的使用壽命。智能控制系統(tǒng)在虎龍溝煤業(yè)地面空壓機(jī)站的應(yīng)用具有較好的減員增效和減少能耗效果。

        4.2 效益分析

        1)節(jié)約了人工費(fèi)用。智能控制系統(tǒng)應(yīng)用后,壓風(fēng)機(jī)組實(shí)現(xiàn)無人值守,壓風(fēng)機(jī)站不再設(shè)置固定監(jiān)測(cè)、操作等崗位,每班共可減少工作人員4 名,按每人8000 元/月計(jì)算,每年可節(jié)約人工費(fèi)用38.4萬元/年。

        2)節(jié)約了電費(fèi)。智能分配空壓機(jī)工作時(shí)間后,可實(shí)現(xiàn)壓風(fēng)機(jī)的智能化運(yùn)行,大幅度避免了以往的無效空轉(zhuǎn)電耗,可實(shí)現(xiàn)節(jié)電率達(dá)9.9%,經(jīng)計(jì)算每年可節(jié)約電耗約171 MW,每年可節(jié)約電費(fèi)約9.9 萬元。

        3)可節(jié)約設(shè)備維修和采購費(fèi)用。對(duì)比以往,空壓機(jī)及相關(guān)設(shè)備維修費(fèi)用每年可節(jié)約2 萬元,空壓機(jī)的使用壽命延長后,設(shè)備及零部件平均每年可節(jié)約費(fèi)用5 萬元。

        虎龍溝煤業(yè)空壓機(jī)站采用基于PLC 空壓機(jī)智能控制系統(tǒng)改造后,具有較好的安全性和可靠性,可實(shí)現(xiàn)無人值守,每年可節(jié)約費(fèi)用約55.3 萬元。

        5 結(jié)語

        針對(duì)虎龍溝煤業(yè)空壓機(jī)站采用的人工就地控制存在的問題,設(shè)計(jì)一種基于PLC 空壓機(jī)智能控制系統(tǒng)。對(duì)該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和功能進(jìn)行了分析,對(duì)硬件及控制程序設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。該系統(tǒng)實(shí)踐效果理想,可實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)站的無人值守,無安全事故發(fā)生,每年節(jié)約費(fèi)用約55.3 萬元。

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