基于远程监控的压风机自动运行系统研究

王勇

【摘 要】To improve operation and management capability of the air compressor,through analysing the automatic control function of air compressor,a design program of air compressor automatic monitoring system,which controlled by PLC in field,was proposed based on MODBUS communication protocol.Practical application shows that,the system can automatically run the air compressor,and also can realize remote monitoring,remote diagnostics,and unmanned on duty,all this have ensured the safety running of air compressor systems efficiently.%为了提高压风机的运行管理水平，通过对压风机自动控制功能的分析，提出一种现场用 PLC 控制、基于 MODBUS 通信协议的煤矿压风机自动监控系统的设计方案。应用表明，该系统能够实现压风机的自动运行、远程监控和远程诊断，能够实现无人值守，确保了压风机系统的安全高效运行。 【期刊名称】《中州煤炭》 【年(卷),期】2016(000)012 【总页数】4页(P87-90)

【关键词】压风机;自动监控系统;PLC;远程诊断;无人值守 【作 者】王勇

【作者单位】河南能源化工集团 永煤公司新桥煤矿，河南 永城 476600

【正文语种】中 文 【中图分类】TD63.5

煤矿很多关键性动力设备和场所都需要压缩空气来进行工作，空气压缩机的运行管理显得尤其重要，它的安全可靠运行直接关系到煤矿的生产安全和经济效益。目前，新桥煤矿4台螺杆式空气压缩机只具有现场启停的控制功能，而且各个设备均是单独操作，不能远程集中控制，每班需要设置固定岗位工，人力资源投入较多；缺少对温度、压力等参数的监测，无法提前发现系统故障，可能导致火灾的发生；缺少对压风机运行工况的分析掌握，不利于压风机的运行维护，可能为系统运行带来安全隐患。

目前国内外主要通过PLC技术、工业网络技术实现双层网络的压风机集中控制系统，实现参数的采集监测、远程集中控制，但井下用风量根据生产情况会有较大变化，集控中心操作人员需要及时掌握用风量和频繁开停压风机，给实际工作带来很大难度。 针对该情况，笔者设计一种在压风机远程监控的基础上能够自动运行的系统，可以解决上述难题，实现了减人增效的目标，提高了系统运行水平。 系统硬件结构主要分为现场采集层、数据传输层、监控管理层。在此架构基础上通过现场PLC控制柜安装触摸屏，实现人机交互，从而实现现场监控功能。阿特拉斯压风机通过SMARTLINK实现GPRS无线数据传输，实现压风机运行的远程诊断，提高系统运行可靠性。 1.1 现场采集层

在压风机电机上安装振动传感器、温度传感器，在储气罐安装温度传感器、压力传感器，对其每台压风机排气管路进行改造，加装电动球阀及流量传感器，实现管路的电动开关及流量的测量。压风机本体为智能型压风机，其控制与运行参数的测量通过通信的方式完成，供电部分高压柜通过南瑞智能型综合保护器RS485通信实

现电力参数采集[1]。PLC的开关量I/O模块用于检测配电柜控制模式、进线柜分合闸状态、电机启动器分合闸状态等。模拟量输入模块用于检测压风机系统温度、压力、振动等参数，模拟量输出模块给电动球阀输出信号控制其开闭。CPU型号为315-2DP，通过自带的DP接口可扩展外部输入输出接口数量，由于该系统需要采集的模拟量数据比较多，所以选择在控制柜内安装1台数据采集分站，用于采集传输模拟量信号[2]。 1.2 数据传输层

系统采用MODBUS协议以及工业以太网实现数据采集和信息传输。所有的监测控制通过PLC控制柜完成，并通过放置在压风机房内的环网节点交换机接入工业以太环网，在机房安装服务器，在集控中心安装客户端，实现压风机的远程监控。系统的硬件结构如图1所示。 1.3 监控管理层

PLC控制柜门板装有触摸屏，方便用户观察压风机运行参数和现场操作等。控制柜通过以太网通信模块与调度集控中心的上位机进行通信，通过压风机房工业以太环网节点交换机，实现压风机房控制柜与上位机服务器的通信，实现远程监控功能。同时压风机通过SMARTLINK实现数据的无线传输，便于阿特拉斯工程师对系统运行的远程诊断[3]，在上位机实现参数监测、自动开停的基础上，专业的远程诊断功能为系统可靠运行提供了技术保障，减轻了操作人员和管理人员的技术压力。 2.1 模拟量的处理

模拟量信号包括压风机风包温度、压力、电机振动及温度等，除温度信号外，其他均为4～20 mA信号。对于模拟量的处理主要是线性标度变换，把模拟量转换成数字量后，经过数字滤波的整数值还原为原来物理量的实际工程值，掌握模拟量信号的数值范围，通过在PLC中写入并调用具有线性标度变换的子程序，轻松完成模拟量的信息采集[4]。

2.2 电参数采集

S7-300 PLC和高压柜通过MODBUS协议通信，其方式为将S7-200作为S7-300和MODBUS设备进行数据交换的桥梁，由于S7-200的CPU上的通信端口不带隔离，所以使用CPU224采集MODBUS数据，并增加EM277模块扩展出一个MPI接口，用于和CPU315-2DP通信[5-9](图2)。 2.3 通信质量监控

S7-300 PLC通过读取S7-200的时钟参数，定期比较是否变化，用来判断MPI通信是否正常。监控层服务器同样能监测S7-300 PLC的时钟参数，用来判断监控管理层服务器和S7-300 PLC通信是否正常。同理，在上位机服务器软件的时钟参数，发送到S7-300 PLC，PLC由此判断出自身和上位机服务器的通信质量，以此确保所有通信质量可靠。 2.4 自动控制功能的实现

要实现压风机及气路系统自动联动控制，需按程序执行启动/停止压风机操作，提高操作的准确性和安全性。系统可以完成对压力(包括压风机排气压力、润滑油压力、总供风管路压力)、温度(排气温度)、空压机总运转时间及电气参数(包括电流、电压等)的连续在线检测功能。参数设定能调整设备运行及倒换时间、加载压力、卸载压力、排气温度报警参数、排气温度报警停机参数、极限压力设置，系统有通信接口，能将所有运转状态及故障信号传至上位机。机组可根据系统中的耗气量，通过装置自动加开及停止压风机运行、调节供气量[10-11]。

控制系统具备点动控制、集中控制、自动控制3种控制方式。运行中的压风机不论在何种控制方式下，当风压高于卸载压力设定值时，压风机将执行自动卸载操作；运行中的压风机卸载后，风压会降低，当风压低于加载压力设定值时，运行中的压风机将执行自动加载操作。 2.5 超限报警和故障记录

系统管理员通过触摸屏或服务器登陆账户，将模拟量限值写入PLC，当模拟量超过或低于设定限值时，系统发出报警，工作人员能第一时间发现并解除故障。在故障发生的上升沿，存储PLC时钟数据，在现场PLC和集控中心服务器通信中断的情况下，一旦通信恢复正常，故障信息将会立刻传送到上位机[12]。

压风机地面控制系统基于高性能的工控组态软件，能对压风机系统所有运转状态及故障信号进行动态显示和记录，并生成运转报表，报表可以被自由查询和打印输出。通过授权，操作人员可以对压风机发出命令，控制压风机的启、停。 3.1 压风机全自动运行

当风压低于风压设定下限值，将启动1台压风机，保持1台压风机运行；此时风包压力如果低于设定的“压力下限值”，达到设定等待时间后，将启动另1台压风机，保持2台压风机运行；风包压力如果还低于设定的“压力下限值”，达到设定等待时间后，将再启动另1台压风机，保持3台压风机运行。当风压达到压力中间值后，系统将停止1台压风机，保证2台压风机运行；压力达到设定上限值后系统将停止所有压风机；当压风机运行时间达到设定的“压风机倒换时间”时，将停止对应的压风机。同时为了防止压风机频繁启动，压风机在停机10 min内不再开机[13]。

3.2 压风机远程诊断系统

压风机厂家为阿特拉斯，为保障无人值守运行的可靠性，全部安装了最新的SMARTLINK远程诊断系统，每台机器配备一台SMARTBOX，内装有SIM卡，内置软件可自动更新，采用GPRS的2G无线方式传输数据[14-15]，厂家工程师可远程浏览所有实时运行数据，并定期发送服务报告，极大地提高了系统运行可靠性。

3.3 压风机运行效果分析

压风机全自动运行方式下，压风机房不再设置固定岗位工，由集控中心值班人员负

责压风机系统运行参数的监测，由每班地面值班电工负责到压风机房巡检，减少固定岗位工3人。实现运行参数的实时监测，运行后及时发现一次压风机电机前轴超温，避免了电机烧毁或油路漏油导致火灾等严重后果。基于SMARTLINK的远程诊断系统，实现了厂家工程师系统分析压风机运行工况，减轻了矿方技术人员压力，自系统运行以来，按照厂家工程师的建议维护方案进行保养，没有出现过运行故障，压风机自动运行系统整体安全可靠。

基于S7-300 PLC和远程诊断功能的压风机自动控制系统，采用了先进的计算机技术、现场总线技术、工业以太网以及无线传输技术，系统能够实现压风机运行的无人值守，提高了系统的自动化程度和运行可靠性。

【相关文献】

[1] 徐鹏鹏.基于S7-300/200 PLC和Modbus协议的电力参数采集系统[J].工矿自动化，2011(12)：104-107. Xu Pengpeng.Electrical parameters acquisition system based on based on S7-300/200 MODBUS protocol[J].Industry and Mine Automation，2011(12)：104-107. [2] 汪芬，陈永生，张寿明.基于PLC和组态王的煤矿压风机监控系统[J].煤矿机械，2008(11)：176-177. Wang Fen，Chen Yongsheng，Zhang Shouming.Fan pressure monitoring system of coal mine based on PLC and Kingviews[J].Coal Mine Machinery，2008(11)：176-177.

[3] 唐超礼，黄友锐，凌六一.煤矿压风机监控系统的设计与实现[J].煤炭工程，2008(4)：109-111. Tang Chaoli，Huang Yourui，Ling Liuyi.Design and implementation of coal mine air compressor monitoring system[J].Coal Engineering，2008(4)：109-111. [4] 刘迎春，叶湘滨.传感器原理设计与应用[M].长沙：国防科技大学出版社，2009.

[5] 廖常初，陈晓东.西门子人机界面(触摸屏)组态与应用技术[M].北京：机械工业出版社，2009. [6] 崔坚.西门子工业网络通信指南(上)[M].北京：机械工业出版社，2005. [7] 崔坚.西门子工业网络通信指南(下)[M].北京：机械工业出版社，2005. [8] 弭洪涛.PLC应用技术[M].北京：中国电力出版社，2004.

[9] 刘华波，何文雪，王雪.西门子S7-300/400 PLC编程与应用[M].北京：机械工业出版社，2010. [10] 姬剑波.浅析新桥煤矿主排水泵集控系统[J].陕西煤炭，2014(4)：17-73. Ji Jianbo.Discussion on main pump centralized control system of Xinqiao Coal Mine[J].Shaanxi Coal，2014(4)：17-73.

[11]金敏，魏免，高俊峰，等.基于PLC和WinCC的压风机组自动控制系统[J].煤矿机械，2013(12)：216-217. Jin Min，Wei Mian，Gao Junfeng，et al.Automatic control system of pressure air handling unit based on PLC and WinCC[J].Coal Mine Machinery，2013(12)：216-217.

[12] 姬剑波.基于S7-300 PLC的主扇风机分布式自动监控系统[J].煤矿机械，2013(2)：217-218. Ji Jianbo.Distributed automatic monitoring system of main fan based on S7-300 PLC[J].Coal Mine Machinery，2013(2)：217-218.

[13]万毅.矿山空压机站智能监控系统的设计与实现[D].南京：南京理工大学，2007.