洛阳中重自动化工程有限责任公司 河南洛阳 471039

作为矿山主要设备之一的空压机，稳定性和可靠性直接关系到矿方的正常生产，其能耗水平也是考量空压机降本增效的一个重要指标。基于此，借助于自动化控制、总线通信、数据统计与处理、智能算法等技术，针对性地开发了一种空压机集中控制系统。该系统不仅具备多种控制功能，且能实现空压机的自动调度及优化控制。在满足现场实际用风的基础上，可以减少空压机空载及无效运行时间，提高空压机加载率和母管压力的稳定性。

1 系统方案

空压机集中控制系统如图1 所示[1]，由多台空压机、风压及风温传感器、压风管路、管路阀门、风包、风包母管压力及温度传感器、低压配电柜、自控系统 PLC 柜、电能采集仪表及上位监控系统组成。

控制系统采用 IPC+PLC 控制架构，分为中央监控中心、PLC 自控系统、现场控制三级控制模式，对整个机房内的空压机、检测仪表、阀门、风温和风压传感器等进行管理和控制。

中央监控中心以工业控制计算机为硬件平台，配套专业组态及工控平台软件[2]，与 PLC 自控系统采用驱动程序连接，实现数据交换；PLC 自控系统以高性能 PLC 控制器作为主控制核心，实现空压机运行数据的采集。所有空压机采用逻辑启停控制，具有优化调度控制功能。PLC 控制器采用硬线端口及总线通信与多台空压机连接，实现信号交互和状态数据采集，集控系统框图如图2 所示。

图1 空压机集中控制系统Fig.1 Centralized control system for air compressor

图2 集控系统框图Fig.2 Block diagram of centralized control system

单台空压机作为整个系统内的第三级，配置有独立操作及控制面板，可以实现空压机的就地启停控制、参数更改及监控、运行保护控制功能[3]。

2 系统功能设计

集中控制系统可与新建空压机系统集成，同样适用于对原有空压机电气系统进行改造，为空压机增加电能采集模块，增加远程控制回路的信号接入与输出。利用总线通信，采集空压机的运行及状态数据。利用 PLC 强大的数据处理机逻辑控制功能，以母管压力为控制目标，以空压机“均匀磨损”为基准，实现多台空压机的智能优化控制。

2.1 操作运行控制

PLC 自控系统以西门子 1513-2PN 高性能 CPU为控制核心[4]，配置必要的输入、输出、通信卡件，实现全部空压机操作指令的发出，完成对所有空压机运行信号、状态信号和保护信号的监测，满足工艺运行需求的参数调整与输出。中央监控中心配合工控软件负责空压机的统一调度管理，实现系统控制结构优化，优化控制功能的切换、数据上传和下载[5]。整个系统操作简单，可实现空压机无人值守模式下的设备操作，操作运行控制功能如下。

(1)远程/就地模式 远控模式下，设备的控制和状态显示、报警均由后台监控系统实现。

(2)手动控制 保留原空压机的手动控制方式，且手动控制方式具有优先权，保证集控系统出现故障时空压机的正常工作。

(3)自动控制模式 无需人为干预，由 PLC 自动控制，根据排气压力、风包压力、终端用气压力自动控制空压机启停数量、加卸载，做出合理的调配组合。

(4)实时控制 实现空压机运行工况实时监测。

(5)人机界面 可提供远程模式下所有空压机的启停控制，风包的定时放水控制，参数调整控制及设备运行状态显示功能。

(6)远程集控模式 人机界面提供了远程手动/自动，单台空压机轮巡控制投入/切除，温度振动报警故障值的上传下载，设备远程手动“挂起”功能。

(7)参数设置 对系统关键运行参数设置界面手动调整功能，可根据实际工况对系统运行参数进行调整，以适应复杂的工况。

(8)实时监控 监控并存储空压机的运行实时曲线，能生成空压机的故障、运行、操作记录，能进行故障时的声光预警及语音提醒。

2.2 总线通信及数据采集

空压机作为一个独立的具备完整工艺运行功能的单机设备，配置有控制器、操作面板、状态显示器。单体设备操作时，可以自主实现软启动、自动加卸载控制、故障安全保护、状态与运行信息采集及显示等功能。同时，空压机留有远程控制接口，支持采用硬线端口或者通信端口连接，实现远程控制。

PLC 控制器配置 RS485 总线通信卡件[6]，支持MODBUS_RTU 通信，采用屏蔽双绞线与空压机控制面板、电能采集仪表、温度振动巡检仪表通信端口连接，以轮巡的方式发送和读取数据。总线通信网络采用“菊花链拓扑”结构，所有的空压机控制器面板、电能仪表、巡检仪表作为通信子站，通信端口“A，B”由双绞线串联在一起，然后连接至 PLC 通信卡件的“A，B”端口，为了保证通信质量和传输距离，通常将通信终端子站的A、B 端子间并联一个120Ω的精密电阻，拓扑结构如图3 所示。

采用总线通信，可将空压机内部对外开放的所有信息全部上传至集中控制系统。通过这些信息，调度人员能够掌握每台空压机的实时运行状态，出现故障及报警时，能够精确判断故障类型，以便及时、准确地进行处理。

2.3 智能优化控制

图3 总线通信网络拓扑结构Fig.3 Topology of bus communication network

在空压机母管增加压力检测，以母管压力为最终的控制目标，决定启动空压机的数量。同时，实时计算每台空压机的单次及累积运行时间和加载时间，根据采集的加卸载信号判断空压机的运行状态，控制空压机的启动和停机，在满足现场使用需求的前提下，实现母管压力闭环控制和空压机的轮巡优化控制[7]，提高空压机加载率，降低总体能耗。

(1)轮巡工作 利用软件编程功能，实现空压机运行时间、运行数据的统计计算，自动记录和计算空压机的累计运行时间，并按照运行时间的长短进行排序，按照累积运行时间长短确定启停机优先级，优先启动无故障、累积运行时间最短的空压机；停机时，优先停止运行时间最长的空压机。依照此种自动控制模式，可实现所有空压机累积运行时间轮换工作，均匀磨损，最大程度延长空压机使用寿命。通过程序排序控制，空压机累计运行时间均衡偏差可控制在 1 h。空压机按照时间轮巡运行排序代码如下：

(2)压力闭环控制 空压机的能耗及加载率与负载实际用风量、空压机本身的工作状态、设备状态及参数设置密切相关。由于每台运行中的空压机是否加卸载取决于空压机本体上设定的加载压力值、卸载压力值和空压机的排风压力实际值。空压机是否启动受控于设定的母管正常工作的压力下限和压力上限。当母管压力低于下限时，增加启动 1 台机子，压力缓慢上升；当设定的压力稳定时间到时，如果母管压力尚未达到设定的正常工作的母管压力上限，则继续增加启动 1 台机子，直至母管压力达到正常工作压力上限，停止增加启动空压机。不合适的工作参数及设备状态会导致空压机加载率低、空载时间过久、工作时间不平衡，最终导致设备效率低下，能耗增加。如空压机加载及卸载压力设定值与设定的正常工作的母管压力上限及下限值不匹配，易造成启动的空压机不加载，空载过久造成能源浪费；母管压力上限与空压机卸载压力相同或高于卸载压力，造成启动后的空压机不加载；母管压力下限高于加载压力，造成运行过程中的空压机尚未开始加载，而又增加启动了 1 台空压机。

基于上述控制流程，在风包母管增加压力传感器，检测实时风包压力，以满足现场实际需求的母管压力为控制目标。采用 PID 控制策略，实现母管压力的闭环调节控制，尽量减少母管压力的大范围波动，避免某台空压机频繁启停机；对于所有的空压机，将空压机的加卸载压力设置为统一值，可最大程度地提高每台空压机的加载率，并保证运行中的空压机均衡工作。压力闭环控制逻辑流程如图4 所示。

3 实际应用

图4 压力闭环控制流程Fig.4 Process flow of closed-loop pressure control

目前，空压机集中控制系统已经在矿山行业多个现场投入使用。在中央监控室，操作人员按照实际需求，更改空压机系统的操作方式，自动/手动启停空压机，实时调整自动轮巡方式下工作压力的上下限值，控制停机时间。当某台空压机检修或故障时，系统自动将其退出轮巡操作。操作人员也可手动干预，将特定的空压机退出轮巡控制。采用压力闭环调节控制，在自动方式下，母管压力波动范围可严格控制在设定的工作压力区间，以此提高空压机加载率，缩短空压机空载运行时间，降低能源消耗。以内蒙古某金属矿 6 台空压机为例，改造后，整个机房运行指标如表1 所列。

表1 内蒙古某空压机系统运行指标Tab.1 Operation index of an air compressor system in Inner Mongolia

4 结论

改进型集控系统可保留空压机原有完整的运行控制功能，系统运行状态检测齐全，操作及控制更加人性化和智能化，特别适用于空压机无人值守改造。但是，由于管阻及管道沿线泄漏会导致风包出口压力与负载压力不一致，最终表现为以风包出口压力为控制目标的压力调节有一定的偏差，需要重点关注。同时为了保证空压机无人化改造后的安全可靠，可重点关注空压机内部的油路泄漏及高温的实时监测问题。