贾 帅

（大同煤矿集团铁峰煤业有限公司，山西朔州 037200）

0 引言

煤矿空气压缩机作为井下风动工具用以输送高压气体，以满足井下采煤现场的使用[1-2]。为满足开采需求，现今井下所使用的压缩机处于不停机、不间断的运行状态，然而井下每时所需要的风量不一样[3-4]，使得压缩机易处于空载或轻载的运行状态，既加重了设备的损耗，也造成了能源的浪费[5-6]。目前的煤矿空气压缩机自动化程度不能满足发展需求，而且当前的系统存在难维修、难扩展新功能等问题[7-8]。针对上述问题，本文设计一套空气压缩机监测系统，可以根据井下开采的用风量对压缩机进行全面监测与控制，有效实现在超温、过流、过载等环境下的机器保护，提升工作效率。

1 空气压缩机系统方案

1.1 功能需求

煤矿空气压缩机常工作于井下恶劣环境中，为保障能稳定、安全、高效运行，在设计监控系统时需满足以下要求。

（1）实时监测运行状态。空气压缩机监控系统是建立在对设备运行参数有良好采集的基础上进行，需要合理地采用并布置传感器，准确地对数据收集，将数据传输给主控器进行计算与分析，生成最优的控制策略来控制设备的稳定运行。

（2）实时分析运行状态。空气压缩机监控系统利用采集各项监测数据，对数据进行协调管理与分析，精准判别设备的运行状态，并可以对其进行提前故障诊断，设置有预警功能，最大限度地提高空气压缩机的安全性与稳定性。

（3）精准控制设备运行。安全、稳定、高效是空气压缩机监控系统本质需求，在此基础上所设计的控制系统要能合理控制空气压缩机的平稳启动、设备保护、故障诊断与预警、远程控制等，从而最大程度提高设备的自动化水平。

1.2 监控系统

本文设计的煤矿空气压缩机监控系统分为3 层结构，分别是地面监控管理层、网络传输层、井下现场监控层。这三层之间的工作方式采用分布式控制结构，具有上级、下级系统层次结构，上级计算机负责整体系统监测与控制，下级计算机负责执行局部系统监测控制，两部分之间的通讯采用以太网的形式就行传输，最大化地提高系统的可靠性。地面监控管理层主要由地面监控中心、服务器、计算机、路由器等硬件组成；网络传输层采用以太网进行传输，并通过交换机将井上设备与井下设备通信相连接，提高传输的稳定性与可靠性；井下现场监控层主要由井下不同位置的监控分站组成，这些分站具有对开关量信号、模拟量信号的采集、识别、处理、显示、监测、控制等功能。

2 硬件设计

2.1 监控分站

井下监控分站负责现场压缩机的实时监控，它的运行状态关乎整个系统的稳定运行。图1 所示为监控分站硬件结构图，整个监控分站主要由中央处理器、信号采集单元、传输通信单元、存储单元、变频器组、显示单元等外部设备组成。中央处理单元是整个监控系统的中枢，它通过现场信号采集单元所监测的数据进行实时计算、逻辑处理、判别，再发出对变频器发出控制信号，实现对现场空压机的等设备的运行监控。这些数据同时经以太网传输至地面监控中心调用，实现整个系统的管控使用，最终完成系统故障诊断、故障报警、故障处理、数据显示等功能。因井下设备的工作环境受强电磁干扰、温差大影响、振动剧烈等影响，所以对井下监控分站中设备的选型具有较高的可靠性、稳定性。

图1 监控分站硬件结构图

2.2 主控制器

井下监控分站中核心单元便是主控制器，它负责机组内空气压缩机的监测与控制。主控制器主要负责对各传感器采集的信息进行识别、分析、计算等综合处理，实现控制信号的输出，驱动变频器对空压机进行控制，故所选型的主控制器需要满足：具有强大的数据采集与分析能力；具有强大的数据通信能力以完成就地通信和远程通信功能；具有强大的运算能力，实现数据的实时计算与处理；具有较高的可靠性与稳定性，以适应井下恶劣的工作环境。故综合考虑后本系统选用西门子系列的S7-300，它可以满足所设计功能需求。

2.3 电源模块

电源的选型需要对电流、功率损耗进行设计，但同时需要对其满足一定的裕量，故本系统采用西门子PS307 电源模块，它的标准型号为6ES7307-1EA00-0AA0，输出电压为DC24 V，输出电流5 A，具有可靠的防爆隔离特性、防短路、开路保护等功能。

2.4 数据采集与处理

监控系统对空气压缩机运行参数的采集主要包括输入输出模块、温度传感器、压力传感器、电信号传感器、变送器等器件，系统采集框图如图2所示，系统的数据采集与处理通过井下现场监控分站对空气压缩机运行各种参数在一定周期内依次采集，传输至主控器进行处理，从而实现数据的实时显示、计算、查询、故障分析与报警、控制等功能。本系统中，采用的采样周期为30 ms，即每30 ms 对系统参数进行一次采样，并将登录信息、诊断信息、故障信息等数据记录在数据库中。

图2 系统数据采集框图

3 软件设计

系统对空气压缩机监控的软件系统主要是实现对电压电流、风压、温度等数据的采集、数据发送与接收、数据通信、故障诊断与报警、数据显示、压缩机的监控等功能。图3所示为软件系统主流程图，首先完成硬件的初始化，主要包括系统时钟、中断向量、串口设置、SPI 串行外设等初始化。其次完成操作系统的初始化，网络通信的初始与调用，此时系统可以对系统内存、数据结构等进行使用。系统完成初始化后便创建数据采集任务、通讯任务、故障预警任务、数据界面显示任务等监控任务，根据任务的重要性主控器分配任务优先级、任务堆栈大小等信息。

图3 系统主流程图

4 结束语

本文通过对煤矿空气压缩机监控所需功能需求进行分析，重点解决空气压缩机的传统监测的弊端，设计一套煤矿空气压缩机监控系统。该系统采用分布式三层结构，即地面监控管理层、网络传输层、井下现场监控层。井下监测分站，对空气压缩机的电压、电流、风压、温度等信息进行监测采集，并通过井下监控分站的计算与处理，再通过以太网传输至地面监控中心完成整个系统的监控。该系统实现了井下空气压缩机的自动化监控，提高了生产效率，具有较高的实用价值。