赵丞达

（华阳集团一矿，山西 阳泉 045000）

引言

压风系统是矿井生产系统的重要组成部分之一，其为风镐、气锤、气动凿岩机等风动机械设备提供动力，由空气压缩机、空气过滤器、安全保护装置等组成[1]。空气压缩机（简称为“空压机”）是压风系统的关键部件，能够将空气压缩并运送，同时能降低设备温度，提供空气压力动力[2]。因此，建立稳定、高效的空气压缩机监控系统是一个重要的研究课题。近年来，国内外专家在空气压缩机的自动化方面开展了大量的研究工作，并取得了优秀的研究成果。如国外研发的PDM 3000型空气压缩机在线实时监控系统[3]，能够实时显示空压机的重要参数，同时发出启动、关闭、停机或报警等预警信号，实现了空压机的高效自动化管理，大幅度降低了人力成本；国内如哈尔滨工程大学丁才发教授团队研发的SACDS 空压监控系统[4-5]，能实现热力、振动、电流等80 多个参数的在线监控。综上所述，空压机监控系统的研发和应用是未来矿井生产系统的关键。本文以通矿集团大成矿在用空压机为研究对象，设计了空压机的自动化监控方案，该方案基于PLC、触摸屏和组态软件对空压机的运行状态进行监控，并提供空压机的启动、停止和报警等控制操作，保证空压机的安全、稳定运行。

1 空压机检测与控制系统硬件设计

1.1 传感器的选择

由于监控系统的主要作用是检测空压机的运行参数，如排气温度、排气压力、主机电压和电流、电动机运行状态和电机振动，因此传感器的性能将直接影响监控效果。本文重点讨论了温度传感器、压力传感器、电动机参数采集模块与互感器和电动机振动传感器的选择。

1.1.1 温度传感器

常用的温度传感器有热电偶温度计、液体膨胀式温度开关和固体膨胀式温度开关3 种，其中固体膨胀式温度开关适用于100 ℃以下的温度检测，液体膨胀式温度开关多在100～250 ℃的温度范围内使用，而热电偶温度计适合250 ℃以上温度的测试。当空压机内温度超过1 100 ℃时，空压机需停机报警，因此本文选择热电偶型传感器，温度检测元件为ZSBWR 一体化数显温度变送器。

1.1.2 压力传感器

空压机的正常运行需满足以下两个条件：一是保证润滑油压力在一定范围内，若压力超过0.17 MPa时，空压机启动运转；当压力下降至0.14 MPa 时，空压机停止运转。二是空压机的出口排气压力要保持在一定范围内，若压力超过0.75 MPa，空压机停止运转，这一措施的目的是防止压力过大造成机器损坏。本文采用MB420 智能压力变送器监控润滑油压力和出口排气压力。

1.1.3 电动机参数采集模块和互感器

本文采用EDA9033A 三相电参数采集模块，能够直接采集电动机的三相电流，三相电压，三相有功功率、无功功率及功率因数，具有方便快捷、安全系数高、成本低等优势。根据主机电流的大小选择合适的互感器，互感器包括C-26、C-30 和C-64 三种类型。C-26的内径为26 mm，电流范围为0～300 A；C-30的内径为30 mm，电流范围为0～400 A；C-64的内径为64 mm，电流范围为0～1 000 A。根据本文主机电流大小，最终选择电流范围为0～300 A的C-26型。

1.1.4 电动机振动传感器

电动机振动的正常与否是判断设备是否需要停机维修或保养的重要依据，标准的电动机振动频率为4.5 mm/s，根据振动频率，从而确定电动机的运行状态。本文选择BVM-200B 一体化型振动变送器，能够监控包括机壳、轴瓦、轴系等在内的振动形式。

1.2 PLC的选择

传统的矿井空压机采用继电器控制系统，该系统控制线路复杂、工作人员操作难度大、维护不便、成本昂贵，严重影响了煤矿的高效生产。而PLC 控制系统将继电器控制技术、计算机技术和通信技术三者完美结合，具有功能强大、抗干扰性高和可靠性强的优点。PLC 作为监控系统的核心，采用3 层集散的结构框架，由数字量和模拟量的模块采集空气压缩机的传感器等信息，启动编译程序，输入采集信号进行逻辑运算，最终启动相关指令。PLC的选择应满足以下3 个条件：PLC 机型与目标任务相匹配；数据处理速度足够快，满足实时监控要求；PLC 机型应保持一致。经过比较和筛选，本文选用西门子生产的S7-200 系列的224XP-PLC。为保证足够的计算容量，经过计算输入点数为14，输出点数为10。根据监控系统的要求确定系统的输入和输出设备。本文对3 台空气压缩机进行了检测和控制，输入设备包括14 个按钮开关，10 个模拟量输入，输出设备为25 个控制继电器。

2 空压机检测与控制系统软件设计

空压机检测与控制系统的软件设计包括上位机和下位机程序设计两部分。下位机程序包括控制系统主程序、A/D 转换子程序和3 个空压机的报警子程序。此外，自动化控制方案的创新之处在于添加了触摸屏，便于人机交流。触摸屏的设计是在Easy Builder 8000 软件中完成的，根据监控系统监视内容确定触摸屏的参数画面。参数设置完成后，将触摸屏连接至PLC 和上位机，最终在触摸屏上可以实时显示空气压缩机的状态参数，同时操作人员可以通过按钮控制开关量，对用户现场测量观察系统及设备的性能具有很重要的作用。上位机程序通过组态软件进行编译，组态主画面能够进行相应控制操作，同时以图像或实时动态的形式显示空压机的运行状态和监测参数值。

考虑到用户需要根据参数变化趋势进行原因分析，本文在组态设计时添加了实时、历史趋势曲线的界面，实时趋势曲线是实时监控参数的变化趋势曲线，历史趋势曲线是对历史数据进行了再分析，方便用户总结规律，同时用户可在报表画面查询、编辑或打印历史或实时数据。空压机监控系统的主要功能之一是，当实时状态参数超过设定值后提供报警信息。本文在组态软件设计时设置了4 个越限报警功能，即当排气温度过高、润滑油压力过低、排气压力过高和电动机振动过快时，监控系统就会发出警告，引起工作人员注意，并采取相应的措施。

3 应用效果

针对矿井空气压缩机的检测和控制系统进行了优化和改进，采用传感器采集空压机温度、压力和电机振动等状态参数，确定了各监控参数的传感器类型；通过PLC、触摸屏和组态软件对空压机进行了检测和控制。该自动化监控系统功能强大、操作方便、易于维护，保障了矿井的安全生产。