刘 睿
（陕西安标检验认证有限公司，陕西 西安 710000）
1.1 概况
陕西延长石油集团公司魏墙煤矿地处陕北侏罗纪煤田榆横矿区南区的北部，位于横山县城北，行政区划隶属横山县波罗镇、横山镇所辖。井田东西长11.4 km，南北宽7.5～10.3 km，面积102.26 km2。井田内煤炭地质储量4.34 亿t，可采储量2.3亿t，可采煤层2 层，自上而下为3、4 号煤层，其中主要可采煤层为3 号煤层。煤层倾角不足1°，主要可采煤层厚度平均3.47 m，矿井设计生产能力300 万t/a。采用斜井开拓方式、综合机械化采煤法。矿井采用斜井开拓方式，矿井共有三条井筒，分别为主斜井、副斜井和回风斜井。工业场地布置有主斜井、副斜井和回风斜井。矿井目前采用“二进一回”中央并列式通风方式，抽出式通风方法。
1.2 螺杆式空压机监控系统运行现状分析
依据中煤西安设计工程有限公司对于魏墙煤矿的初步设计，矿井投产时，井下装备一个综采工作面，综采工作面防灭火需要注氮量为1070 m3/h。矿井井下共选用2 套DT-700 型井下移动式PSA 碳分子筛变压吸附制氮装置，每套制氮装置氮气产量700 Nm3/h，氮气纯度98%，输出压力0.6 MPa，装机功率（110+10）×2 kW，电压660 V，冷却方式为风冷，配备有螺杆式空压机。
从魏墙煤矿制氮装置螺杆式空压机的运行情况来看，螺杆式空压机运行正常，但其监控系统相对落后，监测监控水平及监测精度较低，故障监测设备延时大，该煤矿常发生因螺杆式空压机错过最佳维修和保养时间而发生的设备故障事故，影响设备的正常使用并降低设备的使用寿命。针对这一情况，陕西安标检验认证有限公司受魏墙煤矿委托，针对螺杆式空压机远程监控系统存在的问题，进行改造优化设计。
2.1 设计要求分析
魏墙煤矿制氮装置在用螺杆式空压机的特点为：设备工作稳定性和安全性较高，工作效率较高，工作时振动和噪音较小。工作流程：空压机吸入空气，使之进入压缩主机内→阴阳转子运动，生成受热后的油气混合物→进入油气分离器罐进行分离→对油气分离器罐空气进行加压处理达到所需最低压力后，进入后冷却器→得到所需压缩空气。
以魏墙煤矿DT-700 型井下移动式PSA 碳分子筛变压吸附制氮装置布设的螺杆式空压机为例，分析之前监控系统存在的不足可知，基于PLC 控制器远程监测及控制系统须满足以下要求：（1）在空压机输出端须加装温度传感器，实时对传输排放气体温度数据进行监测，根据设定的温度预警值可实现报警和跳闸功能。（2）在空压机腔内须加装有压力传感器，可实时对排放气体的压力数据进行监测，根据设定的压力预警值可实现报警和跳闸功能。（3）可实现对空压机过滤器、分离器堵塞故障进行分析预警功能。（4）可实现对空压机排气流量的监测，根据设定预警值可实现设备的自动关停机功能。（5）可实现对空压机电机工作中的振动情况进行监测，可实现对电机故障的及时预警以及及时维修功能。
针对以上分析，该基于PLC 控制器的远程监测及控制系统设计时主要监测参数包括压力、温度、流量和振动，预警值设置情况见表1。
表1 螺杆式空压机远程监测及控制系统监测参数预警数值表
2.2 硬件设计分析
改造优化设计的基于PLC 控制器的空压机监控系统主要由监控室远程监控主机系统和下位机现场监控子系统组成，数据由终端控制器接收和传输，通过PLC控制器传输至控制室。整体设计方案如图1。
图1 基于PLC 控制器远程监控系统结构示意图
通过地面监控室远程监测系统对数据进行处理，通过交换机通信，由终端空压机上传感器对现场实时工况数据进行整理收集。PLC 控制器选用西门子S7-200 模块CPU226CN 中央控制单元，对于空压机监控系统的较高要求控制，具有更多的输入/输出点，具有较强的模块扩展功能。交换机通行采用工业路由器G9965，G9965 使用2/3/4G/5G 传输确保数据的速率，设备拥有自愈和看门狗机制保证无线连接“永久在线”。
结合魏墙煤矿井下螺杆式空压机的工作环境，对空压机远程监测系统传感器进行了选型设计研究，选型结果见表2。
表2 空压机远程监测系统传感器选型结果表
（1）温度传感选型。空压机润滑油及排气口温度监测采用热电阻PT100 型温度变送器。输出：4～20 mA，极限28 mA；
输入范围：热电阻Pt100，-200～500 ℃。该温度变送器可实现对润滑油及排气口温度的精确监测。空压机电机温度监测采用CWDZ15 一体式温度变送器。温度范围：-50℃～600 ℃～1300 ℃；
输出：可选择4～20 mA（两线制），0～10 V（三线，四线）。该温度变送器可实现对电机轴承温度的精确监测。
（2）压力传感选型。空压机润滑油、空压机出口、冷却水泵以及母管压力监测采用OPEC2088型硅扩散压力变送器。量程范围：-0.1～40 MPa；
过压极限：2 倍FS（＜3.5 MPa），2.5 倍FS（≥3.5 MPa）。该压力变送器可实现对空压机润滑油、空压机出口、冷却水泵以及母管压力的精确监测。
（3）流量传感器选型。空压机流量监测采用LCXJ 系列旋进旋涡流量传感器，可实现对空压机流量的精确监测，并实现对监测结果的预警报警功能。
（4）振动传感器选型。空压机电机运行的振动情况监测采用XZD-YBXZD-YB 一体化防爆振动变送器。灵 敏 度20 mv/mm/s±5%；
频率响应5～500 Hz；
自振频率10 Hz；
测量范围0～50 mm/s；
输出电流4～20 mA；
输出阻抗≤500 Ω。该振动变送器可实现对空压机电机运行振动的异常监测，及时发现故障并及时进行维修。
2.3 软件设计分析
空压机远程监测及控制系统软件设计主要包括有上位机系统程序和下位机系统程序两部分。上位机系统主要是通过IFIX 监控软件来对空压机控制室数据进行处理和显示，具有画面监控、数据显示、数据报警、自动倒机等功能。在监控室可以通过画面实时显示压力、温度、设备运行时间等工艺参数数据。
下位机系统对空压机工况数据传输识别，对存储数据进行判断，对设备运行故障初步识别，做出是否进行预警处理的指令。具体操作流程如图2。
图2 下位机程序设计流程示意图
魏墙煤矿螺杆空压机远程监测及控制系统优化设计完成后，在2 套DT-700 型井下移动式PSA 碳分子筛变压吸附制氮装置中的2 台螺杆空压机中进行了现场测试分析，监测结果见表3。
从表3 中数据显示，螺杆空压机远程监测及控制系统运行稳定，对空压机运行参数的监测效果理想，空压机出气口温度以及排气压力都控制在预警范围之内，且监测值相近，符合空压机的实际运行状况。
表3 现场测试参数结果
采用改造优化后的远程监测及控制系统对螺杆空压机进行监测，可有效提高空压机设备运行的智能自动化控制故障监测的程度，对空压机运行故障反应及时，系统响应精度高，有效提高了设备维修和保养效率，降低了工人劳动强度，降低了空压机设备维修和保养费用，安全经济效益显著。
针对魏墙煤矿螺杆空压机之前监控系统存在的问题，进行了基于PLC 控制器的远程监测以及控制系统的改造优化设计。应用效果表明：新设计的远程监测及控制系统可实现对空压机运行状态的实时监控，对空压机运行故障反应及时，系统响应精度高，可靠性高。系统应用效果理想，有效提高了设备维修和保养效率，安全经济效益显著。
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