煤矿压风机远程自动控制系统的设计

杨如坤

（中国平煤神马集团平煤股份二矿，河南 平顶山 467000）

煤矿压风机在煤矿井下设备中起着重要的作用，是重要的动力源之一，也被称为空气压缩机。煤矿压风机为凿岩机、风镐、气动喷砂、风钻等提供动力，其原理是进行能量的转换，通过压缩空气做功产生内能，传输在其他设备将其转化为机械能。传统的煤矿用压风机主要是由逻辑控制器和继电器构成，存在很多的弊端，比如可靠性不高、稳定性差、实时性不能够很好地保证等。然而，随着相关技术的发展，将之前的问题都得以很好地优化，现在压风机的控制系统主要以PLC 控制器为核心，不仅提高了其稳定性，而且有效地保证了实时性。目前，国内外针对如何设计远程自动控制系统，并且能够让压风机在工作中提高自动控制水平的同时，保证之前的稳定性和实时性，成为首要解决的问题。针对压风机的远程自动控制系统，国内外的相关学者进行了大量的研究，传统的控制系统存在误动作频发、故障发生次数多等缺陷，通过以TMS320-C3 微控制器为核心，模块化思想用在控制系统中，解决了之前所面临的问题[1]。另外，以PLC 单片机为核心处理器，这种方法在控制系统中能够实现采集精度的精准性、工作稳定性高且该方案的成本较低；
然而弊端就是在工作的过程中出现故障的频率较高，开发周期长。西方国家主要在SmartAir Master 智能控制器、eConnectTM 管理系统、自适应压风机管理器“SAM”方面进行研究，在压风机的智能化、按需控制、自动适应方面取得了有效的成果。基于PLC 控制技术和传感器技术设计远程自动控制系统，实现压风机在监测方面以及远程控制方面较大的提升。

压风机的远程控制系统，其原理是通过上位机远程监控系统向太通信环网发出信号，并且接受控制系统发送的相关数据。井下工业环网和交换机构成实时以太网，其优点是实时性可靠、进行数据传输效率高、拥塞率低，能够很好地匹配压风机的数据传输和接受相关指令。设计四组压风机系统，通过2 个摄像头和控制柜1 号、2 号、3 号、4 号来进行控制，其中每个控制柜都有执行和监测模块。执行模块的作用是负责空压机的开关机、加减速等基本操作；
监测模块的作用是对空压机系统在振动、温度和压力等方面进行实时监测。远程控制系统上位机主要是在King SCADA 平台来进行作业的，通过该平台来进行界面设计、接受数据以及传输指令[2]；
下位机是基于PLC 控制器，在接收上位机的指令的基础上，同时接收其他传感器的数据在逻辑控制上运用；
通过上位机和下位机的相互配合，从而实现压风机的远程控制功能。

煤矿压风机的远程控制系统主要是基于PLC 控制器，通过扩展模块的思想来进行的。分析压风机远程控制系统模拟量、输入和输出开关量，最终确定以西门子57-300 系列PLC 及其扩展模块，能够有效地解决了远程控制系统中的时效性差等问题。压力传感器主要作用是实时监测冷却水管压力、母管压力和润滑油的压力。需保证传感器能够及时有效地监测出的压力值，这样能够有效提高压风机的工作稳定性、安全可靠性。通常，BYDl1.6 型矿用隔爆压力传感器作为常用的压力传感器，其工作电压为DC24 V，最大工作压力为2.5 MPa，能够满足风压机控制系统所要求的环境。振动传感器主要负责在工作过程中电动机振动以及运行状况的监测，从而避免电动机出现故障、使得电机能够在正常状态下运行。选用的XZD-YB一体化防爆振动变送器能够实现电动机机壳振动的监测、电动机轴系振动的监测，并且也能够在滚动轴承问题、转子问题等方面导致电动机发生异常振动的监测。该振动传感器能够在煤矿井下的环境中正常运行，其有效监测的范围是0～10 mm/s。温度传感器的作用是能够对电动机中润滑油的温度和冷却液的温度进行一个实时监测，选用的型号是FST600-205，采用标准的PT100 元件。该传感器中内部装有自动补偿、抗电磁干扰以及抗射频的电路，在工作过程中稳定性较好、监测精度高、收集数据灵活等优势。其温度传感器的工作电压为DC24 V，最大量程为150 ℃，输出信号为标准4～20 mA 电流信号。选用的摄像头是KBA153 型号，是煤矿井下专用的光纤摄像仪，能够在井下瓦斯浓度高、煤尘量大的环境中工作。并且该摄像仪在进行视屏信号传输时通过光纤光缆，能够有效地应用在粉尘量大、潮湿的环境中。

3.1 PLC 程序设计

基于煤矿压风机远程控制系统的PLC 程序，通过以梯形图的形式在西门子57-300 PLC 控制器中采用。在该软件程序控制设计中，给系统通电，进行系统的初始化参数配置，将远程控制系统所需要的变量、内存进行初始化，并且将电机和上位机参数进行匹配。通过建立控制系统与上位机的TCP/IP 通信连接，来实现数据的传输以及指令传送。TCP/IP 通信连接建立完成后，PLC 控制器将振动传感器、温度传感器和压力传感器的监测数据进行采集，并且进行和标准值比较。在数据显示正常的情况下，上位机能够正常显示，压风机通过接收指令进行正常工作；
如果对传感器采集的数据比较出现异常时，则开启报警和故障子程序进行故障排查。若能够将故障自动恢复，则将压风机自动控制系统进行正常工作；
若不能够解决故障，则停机进入紧急状态，避免出现事故[3]。

3.2 自动控制平台设计

基于King SCADA 软件平台，对数据进行实时的显示以及将控制指令进行实时传输。该煤矿压风机远程控制平台界面主要有手动状态、数据查询、用户注销、水泵控制、曲线查询、视频监控、故障报警等，各个界面相互结合，共同完成对煤矿的远程控制和监测功能。PLC 控制系统能够对各个传感器的监测数据及时获取，经TCP/IP 通信连接后上传至上位。通过对接收的数据进行比较确认以后，才可以将数据进行正常显示。自动控制平台将井下1 号、2 号、3 号、4 号压风机的工作状态实时显示，且能够实现远程控制启动或者关闭压风机。

在自动控制平台的主界面中可以看到，1 号和4号压风机为“设备运行”状态，同时能够在主界面中查看运行电流、本次运行时间、运行次数、运行电压等。在查看“参数设置”“数据监控”等选项时，可以点击左侧按钮，就能够进入查看该选项的界面。

4.1 监控功能

1）实际环境中，压风机工作过程的监控，主要监控管道流量、排气压力、管内压力、排气温度等数据。

2）其他受控设备的状态监测，主要监测冷风机电动机、压风机的电气参数，阀门开关状态信息、冷却系统冷却水流量参数等。

4.2 曲线查询功能

1）在工作周期内，系统运行参数曲线查询，主要有各个设备的排气压力、流量、温度的时间曲线，电动机电流、电压的曲线，以及故障信息曲线如图1 所示。

图1 压风机故障信息曲线图

2）所有可查询信息的打印。

4.3 控制功能

1）提供三种控制方式，即手动控制、自动控制和集控控制，适应相关设备的独立检查和维修，自动化要求和一键启动的需要，系统风压低时，能够实现自动补压，系统风压高时，能够实现自动停机降低风压，进而实现无人进行开守的状态。

2）针对于多台压风机系统，通过对排气温度数据以及压风管路压力数据的收集，按照控制逻辑原则实现自动调整多台压风机的启动和停止。

4.4 报警功能

当系统在工作时如监测到参数和正常值有很大的差距，将参数传输到控制柜PLC，开启报警程序。根据不同的故障信息，对应的控制逻辑是有差别的，对于那些对系统正常运行不造成影响的故障，只是开启声光报警，并且将相应的故障进行记录，通过故障显示界面显示出来。然而对于那些对系统正常运行造成影响的或者影响主功能实现的故障，通过启动停止系统的某些设备或者是停止整个系统，直到故障完全被排查解决以后，才能够重新启动系统或者设备。

在某煤矿中将设计的煤矿风压机远程自动控制系统进行工业试验，基于远程控制系统，通过对1 号、2 号、3 号和4 号风压机的远程控制，实现远程开机和关机的任务，并且在系统运作时监测风压机电流、电压以及工作状态等重要的数据；
同时能够实现4 台分压机的相互切换。在对风压机进行半年的试验以后，可以得出在远程自动控制系统下，风压机能够实现稳定运行，且系统数据更新实时性强的优点。

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