煤矿空压机控制系统升级改造

摘要：空压机是煤矿安全避险压风自救的唯一风源，通过MODBUS转DP模块实现单台空压机Delcos3100控制器与S7-300的通讯联网，通过ETH-MPI模块将MPI协议转换为TCP/IP协议，实现与管理网的连接，MP277触摸屏通过网络连接，将6套空压机的监控功能集中在一起显示，实现了空压机远程监控。

关键词：空压机；控制系统；PLC；通讯网络；全集成系统控制

中图分类号：TU723 　 　文献标识码：A

文章编号：1009-2374（2012）20-0143-03

1　项目简介

鲍店煤矿机房共有6台compare公司的L250螺杆式空气压缩机，每台螺杆空压机均带有Delcos3100控制器。Delcos3100控制器的主要功能包括：控制空压机运行，带载、卸载自动切换，在线显示空压机的运行状态和过程数据，防逆转保护，低油位、排气温度、油过滤器堵塞、进气滤网堵塞及各种维护保养时间报警等。

但此控制系统存在以下不足：

（1）未实现远程集中控制，每套空压机的控制器、相关智能仪表都是就地分散监控，造成使用不便和人力资源的浪费。

（2）未实现压力的闭环连续控制，易造成空压机空转和压力波动，使能源消耗大，控制精

度低。

（3）可监测的参数少，一旦出现故障，则很难进行故障的定位。

（4）缺少电参数的监测和显示，不符合现场观测和维护的要求。

（5）控制器显示屏是单色显示，所示信息抽象，不利于操作人员的使用。

（6）不具备局域网功能，不能将系统的运行数据实时上传到公司管理网。

为了解决上述存在的问题，特对原有控制系统进行了升级改造。

改造之前，6套设备各自独立运行，每套空压机都需要通过操作人员对各自的Delcos3100控制器进行就地操作以实现启停控制，所有的实时运行数据也只能通过操作人员读取相关仪表获得，使用很不方便，获取数据实时性差。改造后，所有设备都可以通过网络集中控制，运行数据和报警信息都可以在触摸屏上集中显示，通过以太网过程数据还可以上传到公司管理网，自动化水平大大提高，运行维护成本也大大降低，可为公司节约大量开支。

2　升级的控制系统构成

2.1　本控制系统选用的设备

（1）主控制器：西门子S7-300PLC。

（2）人机界面：西门子MP277触摸屏。

（3）配置第三方MODBUS转DP模块实现Delcos

3100控制器和智能仪表与主控制器的数据交换。

（4）配置第三方MPI转以太网模块将PLC数据上传到公司管理网，满足公司信息化管理的要求。

2.2　主要设备的功能

图1为系统配置与网络结构示意图，使用PROFIBUS DP和MODBUS作为主要通讯网络连接系统各部分，主要设备的功能如下：

（1）S7-300PLC：作为主控制器，负责采集系统I/O信号，实现逻辑控制和网络通讯功能，为其他设备提供指令或过程数据，是控制系统的核心。

（2）MP277触摸屏：通过PROFIBUS DP网络与PLC相连接，将6套空压机的监控功能集中在一起显示，实现了空压机远程控制、远程设定、远程数据采集、远程报警记录等功能，方便了操作人员的

使用。

（3）MODBUS转DP模块：由于现场Delcos3100控制器和各类智能仪表都带有MODBUS通讯接口，通过转换模块将MODBUS协议转换为标准PROFIBUS DP协议，方便S7-300系统读取，这样就使系统的兼容性大大加强，提高了系统的集成度。

（4）MPI转以太网模块：S7-300 CPU集成有MPI通讯接口，通过ETH-MPI模块将MPI协议转换为TCP/IP协议，实现与管理网的连接。

图1 系统配置与网络结构示意图

整个系统充分体现了西门子TIA（全集成自动化）的理念，将原来独立分散的各个单元统一到同一个网络中，实现了远程集中控制。

3　控制系统完成的功能

一直以来，空压机都是人为就地进行操作，这种方式存在诸多弊端，也不符合当今电气自动化技术发展的潮流，通过PLC的扩展和编程能力可以非常理想地解决这个问题。首先，在物理层将需要联网的设备按照技术要求联结在一起；然后需要在PLC中加载针对不同设备的特定通讯程序，以实现真实的数据访问，这样就变分散为集中，操作人员不用再到机旁分别控制设备，而只需通过一台触摸屏就可以控制所有设备的启停，监视所有设备的运行状态，读取需要的过程数据了。新技术的应用不仅减轻了劳动强度，提高了操作人员的工作效率，同时也便于设备的维护和保养，为用气设备提供稳定可靠的动力支持。图2为实际监控画面示例：

图2 监控画面示例

4　未来改进与提升

现有系统的带载、卸载控制需要通过内部压力开关进行控制，空压机的排气压力是随负载的变化而变化的，用气量增加，压力就会降低，当低于下限时，空压机开始带载运行；空压机经过带载运行后压力会上升，当高于上限时，空压机开始卸载运行，整个工作过程就是在“带载”和“卸载”两种状态之间进行反复切换。带载时的工作电流接近电动机的额定电流，卸载时的空转电流约为额定电流的30%～50%，这部分能量没有被空压机有效利用，而是电动机在额定转速下的空转损耗。这种依靠压力开关的通断进行压力调节的方式虽然能够满足用气设备的工作需要，但是其调节精度低，压力波动大，空压机总是在额定转速下工作，机械磨损大，耗电高。

如果使用变频调速，不仅可以节约能源，同时可以提高控制精度。变频器使电动机可以“软启动”，减少了机械磨损和设备损耗，空压机的检修周期和使用寿命都得到大大延长，综合起来运行成本得到了明显降低。

4.1　变频器在节能方面的功能

（1）空压机将满足生产设备要求的最低压力作为设定压力的下限，变频器根据压力反馈与压力设定的差值变化调节空压机转速的快慢，甚至不再需要空压机的卸载运行，节约了电能。

（2）由于传统空压机不能排除在满负载状态下长时间运行的可能性，所以只能按最大需求来决定电动机的容量，因此选型容量一般偏大。在实际运行中，轻载运行的时间所占的比例是非常高的，采用变频调速可提高运行效率，减少浪费。

（3）原来的调节方式，即使在需求量较小的情况下，也不能减小电动机的运行功率。采用了变频调速后，当需求量较小的情况下，可降低电动机的转速，减小电动机的运行功率，从而进一步实现

节能。

4.2　由PLC、变频器、压力传感器和电动机构成的调节系统可以使空压机输出压力稳定的压缩空气

用户设定与压力反馈经过PLC中的PID程序运算，将频率设定值传给变频器，实现对电动机转速的调节，继而影响排气压力，最终使排气压力与用户设定压力达到一致。系统始终在进行运算和动态调整，这样就大大降低甚至消除了压力的波动，提高了供气质量。

5　项目体会

这个项目的实施和投用，是西门子全集成自动化在煤矿空压机领域的一次成功应用。通过控制系统的升级改造，大大提高了空压机的自动化控制水平，节约了运行成本。

西门子产品所体现的丰富功能性和高度灵活性让人印象深刻，本项目的顺利实现也得益于S7-300PLC所具有的高度可塑性，通过编程将多种通讯协议统一起来，实现了集成控制。

事物都不是完美的，项目中还存在一些待改进的地方。相信通过不断的技术创新，我们一定能够看到功能更强大、性能更先进、使用更方便的空压机控制系统。