空压机组的监控系统设计

摘要 基于某国有煤矿企业空压机的监控系统进行改造升级，通过保证压缩机组恒压供风，采用由工控组态、可编程控制器为主，辅以压力、温度、流量等传感器和数字仪表、控制面板等构成的集散控制系统作为该项目的技术方案，对压缩机组供气进行自动控制、远程监视。

关键词 空压机组；PLC；恒压控制

中图分类号TD4 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）111-0092-02

AbstractBased on the transformation of a state-owned coal mining enterprises to upgrade the air compressor monitoring system， by ensuring constant air supply compressor units used mainly by the control configuration， programmable controllers， combined with pressure， temperature， flow sensors and digital distributed control system consisting of instrumentation， control panel， etc.， as the project's technical solution for gas compressor units for automatic control， remote monitoring.

Key wordsair compressor; PLC; constant pressure control

0 引言

空压机是气体发生装置，利用电能在压缩腔内压缩空气，转变成空气内能，再对外界做功，转化成机械能。它使用及其广泛，是矿井生产的重要四大设备之一。矿井的工作环境比较恶劣，空压机性能的安全性和可靠性直接影响着煤矿的生产效益；同时空压机本身存在耗电量大、维修复杂、成本高，同时每天工作时间长，其中空载运行时间的比例较大，这样严重浪费人力、财力，生产效益较低。

传统的空压机控制系统部是有继电器和逻辑控制器等设备构成，所以存在可靠性差、不易维护、不易监视等缺点。

本文是基于某国有煤矿企业空压机的监控系统设计及研究。该公司空压机房有3台风冷式螺杆空压机，其中2台40 m3/min，1台20 m3/min，要求对这三台空压机进行改造升级，对空压机的运行状态进行全程监控，故障报警停机，确保系统的安全稳定节能运行。

1 方案设计

1.1方案思路

方案的基本思路：通过采集现场出气管道的压力，通讯与压力设定值进行比较，然后通过控制器进行运算，送至变频器进行调节，从而改变输出压力。

本方案是以在保证压缩机组恒压供风的前提下，通过流量的改变来满足矿井用压风的需求；提高矿井机电管理水平。采用由工控组态、可编程控制器为主，辅以压力、温度、流量等传感器和数字仪表、控制面板等构成的集散控制系统作为该项目的技术方案，对压缩机组供气进行人工设置、自动控制。通过现场总线来完成对传感器、巡检仪、压缩机、可编程控制器、控制柜，上位机进行系统组态，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。变频器由调节器控制运行，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。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的控制。

图1 系统方案图

1.2变频器

变频器的选择一般规律： 1）变频器的容量大于等于电机的容量；2）变频器所承受的电流大于等于电机电流的1.1倍。同时由于空气压缩机是恒转矩负载，故变频器应选用通用型。

通过查阅资料，最终选择了三菱FR-A740-250K-CHT。250KW能够满足三台空压机中最大电机的容量；它能承受的最大电流为481A远大于96.5×1.1=106.15A，所以能够满足任务需要。

方案中采用变频器对空压机实现“一控三”的方式，这种方式减少了设备费用。采用变频和工频的两种方式进行切换，实现对空压机的改造。

压力变送器采集储气与供气管道的压力，将其转化成4mA~20mA的电流送至PLC，要经过复杂的PID调节运算，通过模拟量输出（D/A）口转换成与压力对应的4mA~20mA电流模拟量信号提供给变频器，变频器根据此模拟量信号来改变输出的电源频率，改变主电机转速实现恒压供气。

工作过程：首先变频启动1#空压机，随着用风量的增加，频率也逐渐增加，1#机的供风量逐渐达到0.7MPa，此时将1#切换切工频，同时将2#空压机切换到变频状态，开始启动2#机。若一段时间之后，频率达到工频，则将2#切换切工频，同时变频启动3#空压机。若用风量减少，频率下降，则先将1#切换至变频，若用风量继续下降，停止1#机，同时变频2#机，以此类推，遵循“先期先停、后启后停”的规则。

1.3PLC

PLC是整个方案的核心，由于传统的监控都是通过继电器来实现，不仅仪表使用繁多，接线复杂，而且线路修改极为麻烦，监控不可靠。PLC具有可靠性高，抗干扰能力强，配套齐全，功能完善，适用性强，系统设计工作量小，维护方便，体积小，重量轻，耗电低等优势。所以目前PLC逐步取代继电器，成监控的主流产品之一。本工程选取三菱FX2n-64MR型PLC，是由于同等功能PLC三菱相对比西门子、ABB都要便宜，而且64点能够满足工程的需要。PLC的输入输出口可以分为以下几种类型：

1） 压缩机PLC的开关量输入信号：

（1）操作按钮输入信号（启动、停止、急停按钮），PLC的参数设定完成后，上述三只按钮即可完成对压缩机的全部操作控制。按下启动按钮，PLC控制压缩机主电机进入星三角转换启动，启动完成后，自动进入加卸载，此时压缩机进入自动运行状态。若在运行中，按下停止按钮，压缩机先卸载，再经延时后停止主电机运行。当发生PLC控制系统无法检测的故障时，按下急停按钮，压缩机即马上停止运行。

（1）主电机故障信号（热继电器），当主电机发生故障，该继电器切断电源并将开关量信号送PLC。

2）压缩机模拟量信号PLC：

（1）压缩机排气压力模拟量信号（压力传感器），压力传感器安装在压缩机排气出口上，其将机组排气压力转换成标准的4mA～20mA电流信号，再由PLC的模拟量输入模块（A/D）转换成数字信号送入PLC中；

（2）压缩机温度模拟量信号（温度传感器），温度传感器由温度变送器及PT100组成，转换及控制原理同压力传感器。

输入端口

1）PLC开关量输出信号压缩机：

PLC输出开关量均采用中间继电器将信号放大后输出，这样可以避免输出执行元件过流、过载所造成对PLC输出口的损坏。

1）主电机运行（主、星、角接触器），PLC根据输入口信号状态、启动控制命令及按程序编制的控制要求经运算后由输出口发出执行信号，中间继电器将此信号放大后控制主电机运行。

2）运行状态显示（LED显示灯板），PLC根据压缩机的运行状态，通过输出口将状态信息由控制面板上LED灯板进行显示，共有五条显示内容：分别为电源指示、主电机运行状态、系统加卸载状态、系统故障报警、卸载过久停机。

2）PLC模拟量输出变频器（压缩机）：

在压缩机主电机采用变频器运行控制中，为了使主电机的转速根据排气压力变化而实现恒压供气时，PLC系统将采样的排气压力数字信号通过模拟量输出（D/A）口转换成与压力对应的4mA~20mA电流模拟量信号提供给变频器，变频器根据此模拟量信号来改变输出的电源频率，使主电机转速改变实现恒压供气，要说明的是PLC不是简单将采样的模拟量信号数字信号模拟量信号。而是中间要经过复杂的PID调节运算，输出与采样压力值相反的模拟量信号给变频器。

通信端口

1）PLC与上位机通信

上述输入输出端口为单相的，而PLC与上位机通讯连接是具有双向功能的，我们知道人机界面是操作员实现与PLC对话的工具。由于PC机没有485口，需要用R232转485装换器进行转换，然后与PLC进行通信。

1.4MCGS

MCGS(Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统)是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制。MCGS组态软件所开发的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略5个部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。

本项目建立了主控界面、远程控制、实时曲线、历史曲线、报表输出、报警显示、分析诊断七个界面，对空压机的电压、电流、功率因素、流量、温度、压力六个参数进行监控，同时对参数进行实时显示及历史存盘，并对故障报警及空压机状况进行分析，从而有利于操作人员对故障能够及时排除和修理。

1.5 软件流程

空压机的启动分为手动、自动：若设定为手动，同时各空压机的投入旋钮投入使用，则该空压机则会被启动；若设定为自动，则按照1、2、3号空压机依次启动，同时根据变频器的上下限进行判断是否需要启动下一台空压机。

2 结论

系统由三台压缩机、一台工业控制计算机，一块集散控制柜，一套三菱 PLC 系统，一套 MCGS 组态软件组成，用直流集散控制系统调节控制 3台压缩机，在保持矿井恒压供风前提下通过压力流量的变化，来满足了矿井生产用风需求， 矿井自动化管理需要。

本系统投资小，见效快，结构简单，简化了系统控制、改善了压缩机组系统控制性能、提高了自动化程度，具有高智能化、高可靠性等优点，节省了大量的维修、管理、用电费用 ，其经济、社会效益十分明显。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；实现企业管控一体化。全面提高企业的管理水平，实现安全生产的多级监管，保证矿井安全生产。

参考文献

[1]刘建民，陈建军.螺杆式空压机运行及维护技术问答[M].北京：中国电力出版社，2010.

[2]张培友.空压机智能监控节能改造研究[D].济南：山东科技大学硕士学位论文，2004.

[3]包建华，张新奎，等.基于MCGS组态软件的空压机组监控软件开发[J].微计算机信息，2007.

[4]MCGS用户指南.北京：北京昆仑通态自动化软件科技有限公司，2005.