＊车海红
（山西新景矿煤业有限责任公司 山西 045000）
螺杆式空气压缩机具有结构简单、体积小、运行平稳、寿命长的优势。在现代企业生产中应用较为广泛，如制造业、矿业、冶金业、电力行业等都均有应用。该压缩机属于容积式压缩设备。气体的压缩通过容积的变化来实现，容积变化通过阴阳转子的回转运动完成。其零部件采用长寿命设计，入口设有过滤器、分离器等装置确保压缩空气质量。性能可靠，市场占有率呈上升趋势，前瞻产业研究院《2014—2018年中国空气压缩机行业产销需求预测与转型升级分析报告》显示：日本螺杆压缩机1976年市场占有率27%，1985年市场占有率达到85%。我国从2014年起，螺杆式空压机市场占有率以每年15%的速度递增。科学合理使用螺杆空压机使其高效运转，为企业生产奠定基础。然而，现阶段空压机监控系统较为滞后，空压机出现故障，不能及时发现，延迟了设备的正常使用效果[1]。PLC控制系统是在传统顺序控制器的基础上引入微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术形成的一种新型工业控制装置，具有通用性强、适用范围广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、模块化的优点[2]。本文通过设计以PLC控制器为核心的网络通信系统，对空压机进行实时监测。
新景矿井下1-3#空压机机组，从2018年至2020年多次出现较大故障，造成生产中断，给企业生产造成巨大的经济损失。具体故障情况见表1。
从表1数据可知，2018年至2020年因空压机故障造成生产中断累积时间32h，给企业稳定生产带来诸多不便。为便于及时发现空压机故障，决定对该矿空压机检测系统进行优化设计。
表1 2018—2020年空压机组故障情况
新景矿位于阳泉市西部，距离市中心18km，临近石太铁路和太旧高速公路。井田煤层贮藏稳定，均为优质无烟煤。可采煤层8层，主采3#、8#、15#煤。一期工程可采储量1.6亿吨，采区服务年限52.4年，年生产能力580万吨。
矿用压缩机通常为螺杆式空气压缩机，具有安全可靠性高、噪音小、对设备损坏少等特点。工作原理是转子转动将空气带入空压机腔体，将空气加压，达到设定压力值时气体排出，完成一个工作行程。压缩机由腔体、阴阳转子、动力系统等构成[3]。空气滤清器附在空压机上，用于定期除尘和清洗，温度传感器检测废气温度，保压阀门调节空压机腔[4]。以新景矿井下布置的3台螺杆式空压机为研究对象，各传感器布置要求如下：
空压机出口设置温度传感器，进行气体温度数据收集并传送，超出设定预警值，及时报警停机。
空压机腔体设置压力传感器，进行气体压力数据收集并传送，超出设定值，发出声光报警信号，并紧急停机。
气体过滤和分离系统进行堵塞预警。
空压机产气量超出设定预警值时，立即自动停机[5]。
因此，空压机监测系统应包括压力、温度以及流量三个方面，预警设定值如表2所示，超出设定值将自动停机。
表2 空压机监测参数预警设定值
(1)硬件组成设计
空压机在线监测系统上位机、下位机子系统组成。数据由终端控制器从子系统获取，PLC系统将数据传送至地面控制室，结构设计见图1。
图1 监控系统结构示意图
采集数据在监控室监控系统中进行处理，空压机的实时运行状态数据由各传感器进行采集，然后经过交互机输送到上位机系统，由PLC进行运算处理。选择S7-200CPU226型PLC处理器，该装置可进行数据的存储和计算。选择西门子网络拓展模块作为通讯模块，该模块抗干扰性能优越。井下巷道粉尘多、湿度大，且存在腐蚀性气体，空压机运行有一定的振动，因此选择的传感器必须具备良好的抗冲击能力和工作能承受高温的环境[6]。因此，温度传感器必须具备耐高温特性，本次设计选择热电偶系列传感器。
压力传感器通常采用弹簧管作为压敏元件进行流体压力测量。压力传感器能够对被测压力实时测量，并能实时传输测量数据；
根据压缩机的用途不同流量传感器的选择有很大的不同。对于空压机，LCX型流量传感器可以实现远程流量监测，预警报警的效果[7]。
(2)传感器选型设计
依照空压机工况，结合井下环境，对传感器进行选型，结果见表3。
表3 空压机监测系统传感器选型设计
①温度传感器选型。温度监测包含油温、排气口温度两方面。选型原则：传感器测温范围、精度等级；
测温元件大小是否合适、测温元件的滞后是否满足测温要求、测温原件是否适合所测设备环境。温度传感器系列适用范围，见表4。
表4 常用温度传感器适用范围
通过比较，选择PT100-TA10/0-200整体式温度变送器，该装置温度测量区间广、精度高，可对空压机油温进行精确监测；
电机轴承温度监测，选择CZ51型温度变送器，该装置监测范围200～1600℃，信号输出为4～20mA的电流信号。
②压力传感器选型。压力监测主要包含油压、排气压力两方面。选型原则：介质、量程、精度、信号输出类别、频响特性等。通过比较，选择OPEC2088型硅扩散压力变送器，该装置结构紧凑、稳定性强、精度高、耐温性好。能够实时监测管道压力、油压及排气压力。
③振动传感器选型。空压机属于转动设备，运行中存在振动，但是异常的机械振动会造成设备故障，给运行带来不良影响。空压机振动源主要来自电机，因此需要对电机进行振动监测，便于了解电机运行状态。选型原则：常用压力传感器原理，见表5。通过比较，选择XZD-YB一体化防爆振动变送器进行振动数据进行采集，该装置振幅监测较为全面，工作电压DC24V，信号输出为4～20mA的电流信号。
表5 常用压力传感器原理
(3)系统软件设计
系统软件由上位机、下位机程序构成。上位机系统主要用于数据显示、数据处理、预警报警等，具备图像传输和语音或报警信号的功能。查询和通讯能力，能及时反映现场实际工况，实时下达指令的功能[8]。软件设计包括操作界面、运行界面，可实时显示空压机主要运行参数。以有效减少人工在井内进行数据测量、参数核对的时间；
下位机系统主要用于空压机运行监测数据传输、处理，当空压机出现故障时进行初步判断，是否进行预警。所得数据与数据库数据识别一致，立即向上位机发送指令，否则返回初始状态。工作流程，见图2。
图2 下位机程序设计流程图
空压机在线监测系统应用于井内三台在用空压机予以测试。在线监测系统投用前后，效果对比，见表6。原空压机系统仅能显示电机电流值、电压值，不能显示空压机排气温度、排气压力、电机振动值，不利于对空压机的运行状态进行实时监测，需要依靠操作人员进行巡检，获得运行数据。而在线故障监测系统可以实时显示空压机的运行数据，及时掌握空压机运行状态。通过人工现场检测，在线故障监测系统显示的出口温度、排气压力均在允许范围内，在线监测数据和实际工况接近。该系统投用后，有利于及时发现空压机设备问题，节约检修费用，同时也降低了操作人员的劳动强度。监控系统应用达到预期效果。
表6 空压机测试参数示意表
本次设计的空压机在线监测系统具有简洁化、高效化、可靠化的优点。有效实现了对空压机运行状态的实时监控。
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