空压机集中控制及在线监测报警系统的研究与应用_鞠新志
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
PLC 和 触 摸 屏 之 间 的 通 讯 二 者 均 为 西 门 子 的 产品， 通过 MPI 电缆连接 PLC 的 MPI 通信口和触 摸屏的 RS-485 通信口. 组态时对相关通讯参数如 所 要 连 接 CPU 的 MPI 地 址 和 槽 号 等 进 行 定 义 ，选 择接口类型为 MPI， 将波特率设置为 187.5kbps 进 行简单的组态操作即可实现通讯。 2.3 上位机通讯
变换趋势，还可通过历史曲线图形进行显示并进行 任意时刻的数据查询，同时，空压机运行参数历史 数据还可以以报表形式查询显示和打印，便于值班 人员打印值班报表、相关人员的定量研究分析和日 常的压风安全技术管理。 通过授权，操作人员可以 通过上位机系统对空压机发出命令，控制空压机的 启停。
9) 系统要求具有一定的故障诊断与分析功能。 要求具有故障显示功能， 能实时显示系统排气温 度、排气压力、状态卸载、负载待命等，对故障能实 现自我诊断停机保护，并显示故障原因。 发生安全 保护动作时，可发出声光报警。 报警信息能保存至 历史数据库，并可方便地进行查询。 故障排除后，可 实现安全复位功能。
Abstract: In this paper the on-line detection and alarm system of air compressor is introduced, it is made up of the detection equipment, executive component, PLC, industrial computer and Ethernet. It can realize the auto on-line detection, control, and the self-regulation of the air volume of the air compressor. So it can guarantee the safety in production of the coal mine.
开发环境为 SIMATIC STEP7 V5.3 SP2 编 程 软 件包，它采用结 构 化 程 序 设 计 ， 程 序 可 读 性 强 ， 调 试和维护方便。 单台空压机的主程序流程图如图 2 所示。
图 2 主程序流程图
4 系统特点 1）系统结构方面。 系统分布在各测点的智能型
传感器挂接在一条公共传输线路（4 芯通信电缆）与 智能终端通信，安装、维护极其方便。 增加测点时， 只须将智能型传感器通过三通（或二通）接线盒接 到公共传输线路上即可，且使用电缆少，每个智能 终端所带测点多，最多达 100 个。 而一般安全监测 系统的每个传感器都需要单独的电缆与监测终端 通信，则需要大量电缆。 另外，每个监测终端最多只 能接 16 个传感器。
实现空压机工况实时监测， 系统可以完成对压力 （包括空压机出风压力、润滑油压力等）、温度（包括 排 气 温 度 、电 机 温 度 、 冷 却 水 排 水 温 度 ）、 空 压 机 运 转时间以及电气参数（包括电流、电压、电机功率、 日耗电量等）的连续在线检测功能。
2） 实现空压机及相关气路系统阀门的自动联 动控制，按程序执行启动/停止空压机操作，提高操 作的准确性和安全性；空压机水冷却循环系统的自 动化控制。
锦 丘 煤 矿 压 风 系 统 由 地 面 一 台 MOGF-9.6/8G 型空压机（风冷）和井下三台 SM-5132W 型 空 压 机
组 成 （复 盛 机 电 有 限 公 司 生 产 、 水 冷 ）， 为 煤 矿 用 单 螺杆移动式空压机。 每台空压机都配有本体控制器 Delcos3100，通过 Delcos3100 控制器的操作面板，操 作人员可以就地控制单台空压机的启停、查看运行 状况、设置运行参数等。 另外，Delcos3100 控制器留 有一个 RS-485 通信接口，支持 Modbus RTU 协议， 为实现空压机组的集中监控提供了条件。 系统结构 图如图 1 所示。
10) 本系统要求作为一个新的子系统纳入原来 的锦丘煤矿机电自动化系统，要求本系统上位机程 序与原系统上位机程序融为一体。 1.2 触摸屏配置设计
系统采用西门子 TP270-10 型触摸屏作为车间 级的集中监控站。 它是基于标准操作系统 Microsoft Windows CE 的多功能人机交互界面，具有强大的数 据采集和管理功能，稳定可靠，界面友好，图形显 示，操作和管理方便。 操作人员可以通过图形和菜 单的方式查看空压机的运行状态及实时数据，设定 空压机的压力、时间等运行参数，查看系统的历史 数据、故障报警信息，并可设置是否允许上位机远 程控制空压机。 触摸屏直观显示了空压机组的运行 状况，操作方便快捷，避免了定时巡检记录的烦琐 工作，大大提高了工作效率和管理水平。 1.3 上位机配置设计
摘 要：本文简述了空压 机 在 线 监 测 报 警 装 置 ，由 现 场 检 测 装 置 、执 行 元 件 、PLC 和 工 业 计 算 机 、以 太 网 等 组成。 实现了在线自动监测、控制，还实现了空压机的风量自动调节。 为煤矿的安全生产提供了保障。
关键词：空 压 机 ；PLC；在 线 监 测 ；报 警 ；智 能 控 制 中图分类号：TD67 文献标志码：B 文章编号：1004-4051（2012）zk-0538-04
收稿日期：2012-06-27 作者简介：鞠新志（1967-），山东滕州人，毕业于山东科技大学自动 化 专业，现任山东省滕州市东大矿业有限责任公司煤矿副矿长，曾主持 矿山机电设备技术升级改造项目十余项。
图 1 系统结构图
第 21 卷
鞠新志，等：空压机集中控制及在线监测报警系统的研究与应用
539
1.1 空压机集中控制系统技术要求 1）系统选用西门子公司的 PLC 实现集中监控．
系统中的通讯包括三个部分。 2.1 现场设备通讯
PLC 和 Delcos3100 控 制 器 之 间 的 通 讯[4]采 用
540
Βιβλιοθήκη Baidu
中国矿业
第 21 卷
控制方便、 设计简单的 RS-485 接口标准作为物理 通信标准。 RS-485 标准要求采用两线制差分方式 发送和接收数据， 因此能够有效克服共模干扰、抑 制线路噪声。 根据实际情况，通信协议采用单主站 多从站结构的 Modbus 协 议 ， 选 用 Modbus 的 RTU 通讯模式。 RS-485 标准是总线的物理层标准，负责 完成电平转换和数据收发；Modbus 协议则构成了总 线的数据链路层协议，规定了总线上传输的数据帧 格式， 为主站和从站之间传递数据提供通信规约， 保证有效数据在主站和从站之间可靠传递，两者共 同构成了 RS-485 总线。 2.2 触摸屏通讯
The research and application of the control of air compressor and on-line detection and alarm system
JU Xin-zhi1，NI Sheng-gong2 (1. Dongda Mining Group Co. , Ltd .，Tengzhou 277500, China； 2. Yushujing Coal Mine of Linyi Mining Group，Ordos 016200， China)
系统采用 PC 机作为上位机远程监控站。 通过 网络在线监视空压机的运行状况，查看压力、温度、 运行时间、电机电压、电机电流、输出功率等实时数 据，记录并存储历史数据，提供数据的查询和打印 功能。 当现场设备有动作或者出现故障时能够弹出 提示消息并记录存储下来；在远程控制允许的情况 下，值班人员还可以远程控制空压机。 远程监控方 便了调度，提高了管理自动化水平，是煤矿信息化 发展的需要。 其他元件包括手自动转换开关、紧急 停止按钮、声光报警器等。 2 通讯系统的构成
3）控制系统具备就地手动/就地集控/远程集控 三种控制方式。 集控方式下，空压机的运行又可选 择单步运行、 半自动运行及全自动运行三种方式。 单步运行主要在检修时调试用；半自动运行，即一 键启停；全自动运行下，无需操作人员参与，所有空 压机按一定策略自动运行。
4）空压机全自动运行，要求实现空压机按需要 自动启停，按用风量确定空压机开启台数，要求能 实现自动加卸载 ，要 求 能 实 现 井 上 下 （3+1）台 空 压 机均衡运行，达到均匀磨损的目的。
5)在地面空压机房设矿用一般型集中控制柜一 台，配备触摸屏人机界面，能够显示空压机的各种 实时状态；在井下空压机房每台空压机设立隔爆分 站一台，有集中控制台进行统一管理，集中控制台 同样配备触摸屏，对空压机的各项数据进行实时监 测。
6) 系 统 具 备 完 备 的 保 护 及 报 警 功 能 ， 能 实 现 电 机过载停机、电源逆相及缺相保护、排气高温跳车、 超过最大工作压力安全阀动作（亦可设定为空压机 停 机 ）、 冷 却 水 故 障 （缺 水 、 超 温 ） 报 警 停 车 、 油 压 失 压报警停车等等。
7) 具 备 各 种 参 数 设 定 功 能 ， 可 对 自 动 运 行 中 的 多种关键参数进行设定，包括：空压机轮转时间间 隔、自动加载压力、自动卸载压力、自动开机压力下 限、加开空压机等待时间间隔、加开空压机停机压 力设定值等等。 还可以对现场采集的各种模拟量参 数进行报警上下限设定。
8) 系 统 要 求 接 入 矿 调 度 室 ， 在 调 度 室 内 设 置 上 位机系统， 上位机系统基于高性能的工控组态软 件，能对空压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，报表可自由查询 和打印输出。 在线测量与处理的空压机运行参数可 通过实时曲线图形显示，便于监视各种不同参数的
Key words: air compressor; PLC; on-line detection; alarm; intelligent control
在煤矿采煤生产中，空压机主要负责向矿井大 量的风动机械提供动力，其工作的可靠性和安全性 直接影响着矿山的正常生产和经济效益。 目前大部 分空压机组存在着控制方式落后、操作不方便的问 题。 控制回路大多为继电器控制，控制方式采用就 地分 散 式 人 工 操 作 ，由 固 定 人 员 24h 值 守 ，值 守 人 员根据井下用风量的需求手动启动或者停止空压 机，并且定时巡检、记录运行状况。 另外，空压机组 耗电量很大，其中有相当长时间是在空载或轻载状 态下运行，导致能耗大、机器受损严重、运行成本较 高。 因此，设计一个操作方便、功能完善的全自动集 中监控系统，对空压机组进行监控和保护，提高空 压机组的工作效率，降低能耗，延长使用寿命，有着 重要的现实意义。 1 监控系统的构成
在 PLC 和上位机之间的通讯中，PLC 通过以太 网模块 CP343-1 接入工业以太网，上位机通过网络 实现远程监控功能。 选择接口类型为工业 Ethernet， 通信速率为 100Mbps， 设置 PLC 和上位机的 IP 地 址。 3 软件设计
系统的控制要求如下：手自动转换开关为手动 状态的空压机， 仅受其 Delcos3100 控制器控制，以 方 便 机 器 检 修 和 维 护 ， 此 时 PLC 只 能 采 集 该 Delcos3100 控制器中的数据而不能控制空压机；手 自动转换开关为自动状态且远程控制无效的空压 机， 将由 PLC 进行集中监制，PLC 根据风压的变化 来决定投入运行的空压机台数，维持风压能够满足 井下用风的需要，并且依据空压机运行时间的长短 使它们轮换工作；当触摸屏上的远程控制设置无效 时，上位机只能监测到空压机的运行状况而没有控 制权限，当远程控制有效且手自动转换开关为自动 状态时，空压机将只受上位机远程控制。
第 21 卷增刊 2012 年 8 月
中国矿业 CHINA中MI国NING矿 MA业GAZINE
Vol.21,zk Augu第st 2101卷2
空压机集中控制及在线监测报警系统的研究与应用
鞠新志 1,倪圣功 2
（1. 山东省滕州市东大矿业有限责任公司，山东 滕州 277500 2. 临矿集团榆树井煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 016200）
变换趋势，还可通过历史曲线图形进行显示并进行 任意时刻的数据查询，同时，空压机运行参数历史 数据还可以以报表形式查询显示和打印，便于值班 人员打印值班报表、相关人员的定量研究分析和日 常的压风安全技术管理。 通过授权，操作人员可以 通过上位机系统对空压机发出命令，控制空压机的 启停。
9) 系统要求具有一定的故障诊断与分析功能。 要求具有故障显示功能， 能实时显示系统排气温 度、排气压力、状态卸载、负载待命等，对故障能实 现自我诊断停机保护，并显示故障原因。 发生安全 保护动作时，可发出声光报警。 报警信息能保存至 历史数据库，并可方便地进行查询。 故障排除后，可 实现安全复位功能。
Abstract: In this paper the on-line detection and alarm system of air compressor is introduced, it is made up of the detection equipment, executive component, PLC, industrial computer and Ethernet. It can realize the auto on-line detection, control, and the self-regulation of the air volume of the air compressor. So it can guarantee the safety in production of the coal mine.
开发环境为 SIMATIC STEP7 V5.3 SP2 编 程 软 件包，它采用结 构 化 程 序 设 计 ， 程 序 可 读 性 强 ， 调 试和维护方便。 单台空压机的主程序流程图如图 2 所示。
图 2 主程序流程图
4 系统特点 1）系统结构方面。 系统分布在各测点的智能型
传感器挂接在一条公共传输线路（4 芯通信电缆）与 智能终端通信，安装、维护极其方便。 增加测点时， 只须将智能型传感器通过三通（或二通）接线盒接 到公共传输线路上即可，且使用电缆少，每个智能 终端所带测点多，最多达 100 个。 而一般安全监测 系统的每个传感器都需要单独的电缆与监测终端 通信，则需要大量电缆。 另外，每个监测终端最多只 能接 16 个传感器。
实现空压机工况实时监测， 系统可以完成对压力 （包括空压机出风压力、润滑油压力等）、温度（包括 排 气 温 度 、电 机 温 度 、 冷 却 水 排 水 温 度 ）、 空 压 机 运 转时间以及电气参数（包括电流、电压、电机功率、 日耗电量等）的连续在线检测功能。
2） 实现空压机及相关气路系统阀门的自动联 动控制，按程序执行启动/停止空压机操作，提高操 作的准确性和安全性；空压机水冷却循环系统的自 动化控制。
锦 丘 煤 矿 压 风 系 统 由 地 面 一 台 MOGF-9.6/8G 型空压机（风冷）和井下三台 SM-5132W 型 空 压 机
组 成 （复 盛 机 电 有 限 公 司 生 产 、 水 冷 ）， 为 煤 矿 用 单 螺杆移动式空压机。 每台空压机都配有本体控制器 Delcos3100，通过 Delcos3100 控制器的操作面板，操 作人员可以就地控制单台空压机的启停、查看运行 状况、设置运行参数等。 另外，Delcos3100 控制器留 有一个 RS-485 通信接口，支持 Modbus RTU 协议， 为实现空压机组的集中监控提供了条件。 系统结构 图如图 1 所示。
10) 本系统要求作为一个新的子系统纳入原来 的锦丘煤矿机电自动化系统，要求本系统上位机程 序与原系统上位机程序融为一体。 1.2 触摸屏配置设计
系统采用西门子 TP270-10 型触摸屏作为车间 级的集中监控站。 它是基于标准操作系统 Microsoft Windows CE 的多功能人机交互界面，具有强大的数 据采集和管理功能，稳定可靠，界面友好，图形显 示，操作和管理方便。 操作人员可以通过图形和菜 单的方式查看空压机的运行状态及实时数据，设定 空压机的压力、时间等运行参数，查看系统的历史 数据、故障报警信息，并可设置是否允许上位机远 程控制空压机。 触摸屏直观显示了空压机组的运行 状况，操作方便快捷，避免了定时巡检记录的烦琐 工作，大大提高了工作效率和管理水平。 1.3 上位机配置设计
摘 要：本文简述了空压 机 在 线 监 测 报 警 装 置 ，由 现 场 检 测 装 置 、执 行 元 件 、PLC 和 工 业 计 算 机 、以 太 网 等 组成。 实现了在线自动监测、控制，还实现了空压机的风量自动调节。 为煤矿的安全生产提供了保障。
关键词：空 压 机 ；PLC；在 线 监 测 ；报 警 ；智 能 控 制 中图分类号：TD67 文献标志码：B 文章编号：1004-4051（2012）zk-0538-04
收稿日期：2012-06-27 作者简介：鞠新志（1967-），山东滕州人，毕业于山东科技大学自动 化 专业，现任山东省滕州市东大矿业有限责任公司煤矿副矿长，曾主持 矿山机电设备技术升级改造项目十余项。
图 1 系统结构图
第 21 卷
鞠新志，等：空压机集中控制及在线监测报警系统的研究与应用
539
1.1 空压机集中控制系统技术要求 1）系统选用西门子公司的 PLC 实现集中监控．
系统中的通讯包括三个部分。 2.1 现场设备通讯
PLC 和 Delcos3100 控 制 器 之 间 的 通 讯[4]采 用
540
Βιβλιοθήκη Baidu
中国矿业
第 21 卷
控制方便、 设计简单的 RS-485 接口标准作为物理 通信标准。 RS-485 标准要求采用两线制差分方式 发送和接收数据， 因此能够有效克服共模干扰、抑 制线路噪声。 根据实际情况，通信协议采用单主站 多从站结构的 Modbus 协 议 ， 选 用 Modbus 的 RTU 通讯模式。 RS-485 标准是总线的物理层标准，负责 完成电平转换和数据收发；Modbus 协议则构成了总 线的数据链路层协议，规定了总线上传输的数据帧 格式， 为主站和从站之间传递数据提供通信规约， 保证有效数据在主站和从站之间可靠传递，两者共 同构成了 RS-485 总线。 2.2 触摸屏通讯
The research and application of the control of air compressor and on-line detection and alarm system
JU Xin-zhi1，NI Sheng-gong2 (1. Dongda Mining Group Co. , Ltd .，Tengzhou 277500, China； 2. Yushujing Coal Mine of Linyi Mining Group，Ordos 016200， China)
系统采用 PC 机作为上位机远程监控站。 通过 网络在线监视空压机的运行状况，查看压力、温度、 运行时间、电机电压、电机电流、输出功率等实时数 据，记录并存储历史数据，提供数据的查询和打印 功能。 当现场设备有动作或者出现故障时能够弹出 提示消息并记录存储下来；在远程控制允许的情况 下，值班人员还可以远程控制空压机。 远程监控方 便了调度，提高了管理自动化水平，是煤矿信息化 发展的需要。 其他元件包括手自动转换开关、紧急 停止按钮、声光报警器等。 2 通讯系统的构成
3）控制系统具备就地手动/就地集控/远程集控 三种控制方式。 集控方式下，空压机的运行又可选 择单步运行、 半自动运行及全自动运行三种方式。 单步运行主要在检修时调试用；半自动运行，即一 键启停；全自动运行下，无需操作人员参与，所有空 压机按一定策略自动运行。
4）空压机全自动运行，要求实现空压机按需要 自动启停，按用风量确定空压机开启台数，要求能 实现自动加卸载 ，要 求 能 实 现 井 上 下 （3+1）台 空 压 机均衡运行，达到均匀磨损的目的。
5)在地面空压机房设矿用一般型集中控制柜一 台，配备触摸屏人机界面，能够显示空压机的各种 实时状态；在井下空压机房每台空压机设立隔爆分 站一台，有集中控制台进行统一管理，集中控制台 同样配备触摸屏，对空压机的各项数据进行实时监 测。
6) 系 统 具 备 完 备 的 保 护 及 报 警 功 能 ， 能 实 现 电 机过载停机、电源逆相及缺相保护、排气高温跳车、 超过最大工作压力安全阀动作（亦可设定为空压机 停 机 ）、 冷 却 水 故 障 （缺 水 、 超 温 ） 报 警 停 车 、 油 压 失 压报警停车等等。
7) 具 备 各 种 参 数 设 定 功 能 ， 可 对 自 动 运 行 中 的 多种关键参数进行设定，包括：空压机轮转时间间 隔、自动加载压力、自动卸载压力、自动开机压力下 限、加开空压机等待时间间隔、加开空压机停机压 力设定值等等。 还可以对现场采集的各种模拟量参 数进行报警上下限设定。
8) 系 统 要 求 接 入 矿 调 度 室 ， 在 调 度 室 内 设 置 上 位机系统， 上位机系统基于高性能的工控组态软 件，能对空压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，报表可自由查询 和打印输出。 在线测量与处理的空压机运行参数可 通过实时曲线图形显示，便于监视各种不同参数的
Key words: air compressor; PLC; on-line detection; alarm; intelligent control
在煤矿采煤生产中，空压机主要负责向矿井大 量的风动机械提供动力，其工作的可靠性和安全性 直接影响着矿山的正常生产和经济效益。 目前大部 分空压机组存在着控制方式落后、操作不方便的问 题。 控制回路大多为继电器控制，控制方式采用就 地分 散 式 人 工 操 作 ，由 固 定 人 员 24h 值 守 ，值 守 人 员根据井下用风量的需求手动启动或者停止空压 机，并且定时巡检、记录运行状况。 另外，空压机组 耗电量很大，其中有相当长时间是在空载或轻载状 态下运行，导致能耗大、机器受损严重、运行成本较 高。 因此，设计一个操作方便、功能完善的全自动集 中监控系统，对空压机组进行监控和保护，提高空 压机组的工作效率，降低能耗，延长使用寿命，有着 重要的现实意义。 1 监控系统的构成
在 PLC 和上位机之间的通讯中，PLC 通过以太 网模块 CP343-1 接入工业以太网，上位机通过网络 实现远程监控功能。 选择接口类型为工业 Ethernet， 通信速率为 100Mbps， 设置 PLC 和上位机的 IP 地 址。 3 软件设计
系统的控制要求如下：手自动转换开关为手动 状态的空压机， 仅受其 Delcos3100 控制器控制，以 方 便 机 器 检 修 和 维 护 ， 此 时 PLC 只 能 采 集 该 Delcos3100 控制器中的数据而不能控制空压机；手 自动转换开关为自动状态且远程控制无效的空压 机， 将由 PLC 进行集中监制，PLC 根据风压的变化 来决定投入运行的空压机台数，维持风压能够满足 井下用风的需要，并且依据空压机运行时间的长短 使它们轮换工作；当触摸屏上的远程控制设置无效 时，上位机只能监测到空压机的运行状况而没有控 制权限，当远程控制有效且手自动转换开关为自动 状态时，空压机将只受上位机远程控制。
第 21 卷增刊 2012 年 8 月
中国矿业 CHINA中MI国NING矿 MA业GAZINE
Vol.21,zk Augu第st 2101卷2
空压机集中控制及在线监测报警系统的研究与应用
鞠新志 1,倪圣功 2
（1. 山东省滕州市东大矿业有限责任公司，山东 滕州 277500 2. 临矿集团榆树井煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 016200）