丁召忠，张笃兴
(徐州矿务集团有限公司旗山煤矿，江苏徐州221132)
摘 要：旗山煤矿是徐州矿务集团公司下属的一家主力生产矿井，地面空气压缩机房担负着整个矿井的井下掘进及修护用风。原系统运行中的温度、压力、流量、电机电流等参数主要依靠人力监控，系统运行可靠性低，安全性能不好，且维护量大，通过对空压机组进行集散控制的改造，不仅消除了以上各种弊端，达到压缩机组的集中控制，工况在线监测，变频节能为一体的综合效果，减少了能源和人力资源的浪费，还为我矿机电设备实现集中控制积累了宝贵经验。 关键词：空气压缩机；集散控制；在线监测；应用
中图分类号:T D724 文献标识码:B 文章编号:1003-496X(2008)08-0074-04
旗山煤矿坐落在徐州市东郊，是徐州矿务集团公司主力矿井之一，始建于1957年,1959年建成投产，现实际年生产能力为180万t左右，是全国第一批现代化矿井、高产高效矿井。井田资源丰富，东西走向长7.5km，南北倾向长4.5km，总面积约为30 k m2。至2003年末剩余可采储量7210万t，尚可服务30a左右。目前开采水平为-850水平，最深采深为1250m.空气压缩机房担负着整个矿井的井下掘进及修护用风，
是重点改造的关键部位，通过对空压机组的集散控制改造，消除了原系统靠人力监控带来的各种弊端。提高系统的工作效率和自动化管理水平，更加改善了矿井的本质安全工作。并为以后压缩机房实现无人值守打下坚实的技术基础。
1 概 述
空气压缩机是煤矿生产的必备设备，其耗电量约占全矿总量的10%左右。国内目前运行的压缩机组大都采用一般的继电器控制，其监控、保护的技术水平低下，不能达到有关安全规程对压缩机运行的规定要求，因而有故障率高、能耗高、维护量大等缺陷。国外煤矿生产采用综合集控系统，性能优越，但造价较高，不适合国情。近年来，国内虽然有些矿井采用了压缩机自动控制及微机控制技术，但由于所选机型或采取的技术措施不能适应矿井压缩机房的特殊生产环境，因而不能满足控制和管理两方面的需要。能达到要求且性能优良的监控系统还未见报道。空气压缩机组监控系统的发展趋势是采用集中管理和分散控制的系统模式(集散控制系统)。
集散控制系统，其控制模式可应用到压缩机、风机、水泵组等系统中，特别是对于矿山压缩机其推广应用前景是非常广阔的。对于整个采矿行业，此类系统是生产所必备的系统，将其控制模式进行推广，将会带来巨大的经济和社会效益。
2 改造前的系统状况
旗山煤矿压缩机房共安装使用压缩机6台，主要供井下掘进及修护用风。其中5台为无锡产活塞式压缩机，均为后冷却器水冷方式。2001年进行了改造，全部采用T LK-1型智能励磁控制，该装置采用微控器及数字化技术，脉冲触发准确，保护较完善性能稳定、可靠。压缩机具有超温、断水、断油等保护，电动机具有过流、速切、失励等保护。另外还有安全阀、释压阀。于2006年引进了一台英格索兰螺杆式压缩机。有应急照明设施。供电方式采用高、低压双回路。矿井用风量不稳定，用风范围在25～140m3/m in。
3 压缩机组集散监控系统
集散控制的基本思想是集中管理，分散控制，即：将压缩机组的自动控制过程与操作管理人员对自动控制过程的管理过程相对分离；压缩机组的自动控制过程由集散控制柜相对独立地自动完成，而操作人员对自动过程的管理则由中央控制室的工控机(计算机)完成，极大的提高自动控制系统的安全性和可靠性；另一方面又相互进行实时数据通讯和信息交换，实现了操作人员在中央控制室的工控机(计算机)上对整个自动控制过程进行管理和调整。
3.1 集散控制原理
束线带本系统由一套变频装置、六台压缩机、一台工业控制计算机、一块集散控制柜，一套三菱P LC 系统、一套组态软件组成。采用一台低压变频器装置变频调速一台低压380V 螺杆式压缩机，用DCS 集散控
制系统进行调节控制6台压缩机(4台高压6k V40m 3250k W 活塞式,1台高压6k V 60m 3
350k W 活
塞式,1台低压380V 40m 3
200k W 螺杆式)编组控制，采用由工控机组态、可编程控制器、变频器为主，辅以压力、温度、流量等传感器和数字仪表、电磁阀、水流量控制器、控制面板等构成的集散控制系统，在保持矿井恒压供风前提下通过压力流量的变化，开启压缩机组，调节控制螺杆式压缩机变频调速，对压缩机组供气进行人工设置、自动控制。集散监控系统方案如图1所示
。
图1 集散监控系统方案
系统以工控机组态(计算机PCA -6184VP I V 、
组态软件MCGS -WR -S256)、可编程控制器(FX2N -128MR )、变频器(西门子变频器M i 2cr o Master440)为主，辅以压力、温度、流量等传感器和数字仪表(A I 系列多路巡检显示报警仪)、电磁
阀、靶式流量控制器、控制面板等构成的集散控制系统，用DCS 集散系统进行过程控制、逻辑控制和批处理控制，按预设模式能实现手动、半自动和自动三种工作模式启停压缩机组。 集散柜控制面板设置压力设定值，起动变频,P I D 调节器将根据用压风需求量的变化(压力的变化，用风多压力降低，用风少压力高)调节变频器的输出频率，使压风管路压力等于设定压力。当变频器频率调到最大值，而供风压力仍小于设定值时，则变频器频率调到最小值同时起动一台压缩机。当供风压力仍小于设定值时，调节变频器的输出频率，使压风管路压力等于设定压力。当变频器频率调到最小值，而供风压力仍大于设定值时，则停止一台压缩机运行，同时变频上调。
工控机通过总线来完成对温度、压力、流量、电压和电流等仪表以及调节器、可编程控制器进行组态，并获得实时参数，完成动态监视、报警、记录分析、生成报表、曲线等。按照预定的工作模式，可编程控制器检测各种仪表送来的状态信号，控制整个系统按优选的工作流程顺序进行工作，并同时完成系统的故障报警。数字巡检仪完成对检测点模拟量输入信号进行定量数据采集，报警信号输出及
参与参数控制。数字调节器完成对关键参数的控制。变频器由调节器控制其运行，通过改变输出电压频率改变电机转速，以改变压缩机压缩速度。流量传感器测得压缩机的实时流量。靶式流量控制器对水冷式活塞压缩机进行断水保护及冷却水流量控制。集散监控系统布置方案如图2所示
。
图2 集散监控系统布置方案图
上位机监控室内，由值班员集中操作，下位机在运行中不需人为控制。本系统数字巡检仪、下位机
与上位机通过专用线路进行通信。P LC 负责压缩机
组的起动运行进行逻辑控制，对压缩机组的运行状
态和故障状态通过媒体传送到上位机。数字巡检仪通过各个信号的采集对P LC 进行信号点的输出；数字巡检仪经过数据采集，通过媒体与上位机通讯。上位机对各个工作站传来的数据处理后，通过媒体向各个工作站进行系统的控制。
计算机通过MCGS 组态软件，利用一台计算机作为监控工作站，用一台可编程控制器P LC 控制压缩机组的运行程序，通过数字巡检仪信号输送，给出了集散控制系统控制。P LC 、数字巡检仪与通用监控系统MCGS 组态软件的通信连接采用标准RS485通讯然后由模块转换为232信号给计算机，并对压缩机组进行实时监控。用计算机技术对压缩机组运行过程进行集中监视、操作、管理和分散控制，实现远程控制及无人值守。羟甲基丙烯酰胺>三相电机保护器
操作控制系统方面主要是对原有继电器控制系统进行改造，采用P LC 、计算机、数字巡检仪、变频柜、实现压缩机组起动、工作、停止过程自动化控制及信息化管理。3.2 压缩机P LC 调节及保护功能报警停车原理
压缩机保护和压力调节，经过各种传递信号互相转换，通过A I 系列多路巡检显示报警仪功能显示装置
实行在线监测，把所有保护功能整定在一个定值范围内向P LC 输出信号点。当系统压力降到设定压力时，经压力传感器将信号输入到P LC，经过相应的运算和处理后，通过输出调节器关闭，吸气阀恢复工作向储气罐供气，当压力高时经P LC 控制，压缩机不再向储罐供气调节阀打开，顶开吸气阀，吸气阀不工作，压缩机不再向储气罐供气，从而达到自动调节压力的效果。麻元友
该系统由压力调节器、顶开吸气阀组成。通过调节器可使排气量根据管网的需要调节到加载、卸载。当储气罐中的压力达到0.75MPa 时，调节器打开，压缩空气进入一、二级顶开吸气阀，使顶开吸气阀动作，吸气阀顶开，此时压缩机卸载。当储气罐中的压力下降到小于0.7MPa 时，调节器关闭，顶开吸气阀中的存气从调节器上部排出，顶开吸气阀恢复到原来的位置，吸气阀恢复工作，压缩机卸载。图3所示压缩机加载、卸载示意图
。
图3 压缩机加载、卸载示意图
当系统压力超过设定规定以及各部温度超过整
定值后，系统具有报警停车功能。图4所示压风机P LC
调节及保护功能报警停车原理图
图4 压风机P LC 调节及保护功能报警停车原理图
3.3 变频器变频调速控制
变频起动是一种软起动方式，可避免对电机、螺杆压缩机的机械冲力，且保护了系统。采用变频调速后，主电机转速下降，轴功率将下降很多。变频器的节能效果十分显著，特别是调节范围大，通过实际应用能直观地看出在流量变化减少时只要对转速(频率)作改变就会使轴功率更大程度上的改变，造成供电电流的减少。所以，压缩机的变频节能改造有很好的应用效果。
原螺杆式压缩机起动方式为星三角降压起动方式，把螺杆式压缩机变频调速后，改为变频起动。报警信号及控制信号接入变频柜，由P I D 调节控制。如图5所示
。
图5 螺杆式压缩机控制改造原理图
压缩机在起动时和加、减速运行时要求变频器
反应快速。其调节方式采用闭环自动调节控制方
式，用压力传感器对压缩机系统的出口气压进行采样，转换成4～20mA 电信号后传送至P I D 控制器，控制器将该信号与设定值进行比较运算后输出4～20mA 信号给变频器，变频器根据该信号输出频率，改变压缩机的转速并调节供气压力(供气量)达到恒压供气目的。从而满足压风用风需求，减少电能消耗。变频调速如图6所示
。
图6 变频调速图
3.4 P LC 逻辑控制
本系统自动控制及逻辑判断功能主要由P LC
3ku
完成，根据操作人员发出的指令自动完成起动前系统自检，协调励磁柜、高压柜完成起动过程；在起动完成后对压缩机的压力进行控制，在正常运行后实时检测系统状态及完成故障保护工作。逻辑控制如图7所示。
图7 通讯流程图
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3.5 MCGS 组态
压缩机组上位机监控软件是基于北京昆仑通态公司工控组态软件MCGS5.5版开发的，整个软件系统设置的主菜单有系统管理、主控界面、压缩机界面、远程控制、分析与诊断、报警显示、数据报表、参数设置、系统布局和数据打印。主控界面对全部压
缩机的关键参数进行实时监控。各压缩机机分界面实现对压缩机运行全部参数的实时监控，同时也设置了总报警指示灯和断水报警指示灯。
采用LK B 靶式流量控制器，对水冷式活塞压缩机进行断水保护及冷却水流量控制。当压缩机断水保护动作时，压缩机停止运转，集散柜警铃响，计算机发出“水流量报警”语言提示压缩机停止运转原因，并指明故障。
通过MCGS 的数据处理功能，能够对现场产生的数据以各种方式进行统计处理保存，使管理人员能够在第一时间获得有关现场情况的第一手数据。通过数据采集，报警信息，故障判断可建立压缩机运行专家分析系统，为处理事故更加方便快捷,4 运行效果分析
系统采用智能化集散控制系统后，能够实时检测压缩机的各种信号，并且传送给工控机显示；能够准确地反映信号状态。抗干扰能力强，提高系统运行可靠性，保证保证矿山生产用风需求。采用螺杆压缩机变频调速后，操作简便，调节平衡，尤其与集散控制相联更体现了优越性。软起动及转机转速下降，机械磨损减小，故障率下降，减少了停机对生产用压风的影响。软起动降低了压缩机起动电流，减少了对电网的冲击。
集散控制保护更完善，采用语音报警直接提示出现故障原因，便于值班员操作和缩短维修人员处理故障时间。由于系统智能化，高可靠性，可接入互联网，进行远程监控，提高了安全管理水平。该系统
的实施将压缩机组的技术水平提高到国内领先的地位。增强企业的核心竞争力，实现矿井管控一体化。全面提高企业的管理水平。
因活塞式压缩机是同步电动机有励磁控制，而螺杆压缩机是异步电动机方便控制。如果集散控制系统自动编组控制全部采用螺杆压缩机时效果会更好，控制系统也更加简单，系统更优化。压缩机组采用集散控制系统后经济效益和社会效益大大提高，管理水平也上了一个新台阶。
作者简介：丁召忠(1963-)，男，江苏徐州人，工程师，毕业于中国矿业大学机电专业，现任徐州矿务集团旗山煤矿机电副总工程师。
(收稿日期:2008-03-06；责任编辑：金丽华)
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