矿井压风制氮控制系统技术方案研究

1. 设备控制系统现状

目前，该矿井安装有由6台复盛螺杆空气压缩机、3台制氮机组成的以及配套的冷干机系统。压风机内配有三菱FX2N系列的PLC作为控制器，采用proface触摸屏作为主要人机交互和控制的对话界面。制氮机和冷干机系统为常规硬性电路没有PLC控制系统。制氮站空压机及制氮机单机控制系统不是很完善，实现简单的启停，并显示压力、温度、流量、浓度等参数，外部安装出气闸阀、排气阀为手动阀门，需人工操作。

2. 控制系统需求

(1)空压机、制氮机本机智能化

通过主站读取多台空压机、制氮机运行时的各项参数(温度、压力、流量、氧含量等)，并将读取到的参数实时上传到操作台和控制室服务器。

操作台将读取到每台空压机、制氮机的数据进行实时显示和存储，自动生成曲线和报表，方便进行实时和历史查询;操作台具备远程控制功能，能同时启停多台空压机、制氮机。

(2)打造空压机、制氮机使用环境的可视化

在制氮机使用区域安装可变焦高清网络摄像头，实时监测空压机、制氮机使用环境以及设备状态，并将采集到的视频图像实时上传到地面服务器。

(3)建立完善的数据传输网络

建立完善的网络框架，将空压机、制氮机的数据以及摄像头采集到的视频图像实时上传到控制室服务器，方便地面人员随时查看。

(4)打造完善的空压机、制氮机自动控制系统数据平台

完善制氮机地面监控平台：包括电脑、手机等移动终端数据监控、视频监控，建立地面监控工程师站可在Internet网络间通讯;查询平台多渠道、一体化。

建立上位机服务器：作为WEB发布终端，每台出厂的地面设备可以通过Internet网页直接访问到，给每台空压机、制氮机建立独立的访问界面，建立庞大的制氮机数据网络。最终做到多终端(电脑、手机、平板等移动设备)可随时随时查看数据和远程启停空压机、制氮机。

3. 问题及实施方案

(1)空压机、制氮机整机部分

(1)冷干机升级改造：将原有的冷干机电气部分做自动化升级，冷干机的故障、运行状态能够进行传输。

对冷干机系统电气部分做自动化升级增加一套最新的西门子smart200PLC或者三菱FX2N控制系统，PLC带有网口和串口通讯，干机的故障、运行状态能够进行传输，同时为实现主系统控制联网做准备。

(2)加热器升级改造：将原有的电加热器电气部分做自动化升级，电加热器的故障、运行状态能够进行传输，相关电压电流数据能够读取，做到缺相报警、三相电平衡。

对加热器系统增加一套最新的西门子smart200PLC或者三菱FX2N控制系统，对电加热器的故障、运行状态进行传输，相关电压电流数据能够读取，做到缺相报警、三相电平衡。PLC带有网口和串口通讯，为实现主系统控制联网做准备。

(3)制氮机控制箱升级改造：升级制氮机自动排污，读取膜入口温度，出口压力，设备启停能够联动加热器和冷干机。

对制氮机系统增加一套最新的西门子smart200PLC或者三菱FX2N控制系统，升级制氮机自动排污，读取膜入口温度，出口压力，设备启停能够联动加热器和冷干机。PLC带有网口和串口通讯，为实现主系统控制联网做准备。

(4)空压机升级改造：升级空压机使之与制氮机主控制箱通讯，将能控制空压机并读取空压机数据。

空压机每台单机中都为较老的三菱FX2N系列的PLC，由于这个PLC的PLC通讯接口已经与Proface触摸屏做数据通讯，我们计划在PLC的前端加上一台RS485通讯接口，然后为空压机联网做通讯准备。

(2)视频部分

在压风注氮机房安装四台可变焦高清摄像头，实时监测制氮厂房的环境情况和设备使用情况，并将采集到的视频图像通过多功能网络交换机实时上传到控制室服务器。

采用可变焦摄像头通过计算机的操作实现远近的监控，并且通过网络交换机把视频传到控制服务室。

(3)网络部分

用四台多功能网络交换机(含特殊接口)在压风注氮机房形成一个完善的网络框架，将空压机、制氮机的数据以及视频图像上传到控制室服务器。

由于在压风机、制氮机、冷干机、加热设备以及摄像头上已经完成了网络化接口，在硬件结构上，通过网线或者串口线路即可把这些设备的数据实现上传。

(4)控制室部分

在控制室放置一台服务器，安装上位机软件，用于接受空压机、制氮机数据和视频图像，将收集到的各种数据和信息进行存储，方便查询。

将服务器作为WEB发布终端，把制氮机的各种实时数据以及视频图像进行网络发布，方便多终端(电脑、手机、平板等移动设备)在接入Internet和4G网络时可以随时随地进行查询，并且可以用终端设备控制空压机、制氮机进行远程启停。

(5)中控室部分

(1)配置一台交换机，通过对接空压机原有PLC控制柜提取空压机设备实时运行数据，将单台设备的运行信息通过以太网通讯上传至上位机，是用于显示或控制的数据源。

(2)开发一套上位机程序及监控画面，通过主要设备状态图显示实时运行数据、告警信息，历史运行数据、告警信息存储及查询，能够以曲线及图表的形式对空压机设备的运行情况进行分析;实现远程监测空压机电机电压、电流、功率、电机温度、冷却温度、压力等参数;实现远程监测空压机外部安装电控阀门开量等工作状态，并实现远程控制，具有可调节功能;

(3)具有丰富的软件接口(OPC server、DDE、ODBC、FTP上传等)，无缝整合各子系统，实现全矿井的管控一体化。

(4)预留有开放的以太网接口，RS485接口，以及相关的通讯协议。

4. 监控系统可实现功能

(1)显示功能

实时显示空压机总体运行情况和主要运行参数，具体有：

(1)电机运行温度、电压、电流、功率等数据。

(2)管道阀门开量状态显示。

(3)冷却油包温度及压力等数据。

(2)操作方式

系统具有“远控”“就地”和“检修”三种操作方式：

(1)远控方式

在“远控”位置时，压风机控制系统由远控分站实行操作，压风机的起停操作由上位机操作界面操作，实现起动、停车控制。

(2)就地方式

在就地位置时，通过就地的按钮来控制每台空压机的启动或停机;与远控具有闭锁功能，其远控起停开关将失效。

(3)检修方式

在检修位置时，启/停操作按钮失效，以保证检修设备人员安全。

(3)控制功能

远程控制系统能够实现对空压机进行远程启停、阀门远程开关，具有远程全自动控制、远程单机自动控制、远程单机手动控制、就地自动控制等多种控制方式。

(1)远程全自动控制：在远程控制室对压风机进行保护参数和全自动运行的参数设置，系统按照设备的优先级、运行参数和用气量，实现压风机的自动启动、自动倒机、故障报警退出。

(2)远程单机自动控制：在远程控制室实现一键启停功能，实现单台压风机和阀门的自动启动、停止控制。

(3)远程单机手动控制：在远程控制室实现单台压风机和阀门的启动、停止、打开、关闭控制。

(4)就地控制：由现场人员通过就地控制钮实现压风机、阀门的就地控制。

本监控系统采用2台上位监视计算机，用以监视压风机运行状态信息。上位机监控平台选用Siemens公司的wincc组态软件，编程软件选用西门子step7中文版，功能模块化，结构线性化，注释完整齐全，并附有辅助图表说明。wincc监控软件支持OPC开放式互联协议，方便矿井综合信息系统的具体实施。

5. 结语

对矿井压风制氮系统建立统一的操作平台，实现集中控制，不仅可以节约企业的经济投入，还可减少人员配置，为煤矿生产节能降耗以及数字化矿山建设打下坚实的基础，值得在煤炭行业内进一步推广实施。

摘要：压风制氮系统是煤矿企业安全生产中必不可少的环节，建立统一的操作平台实现集中控制，可以为煤矿生产节能降耗以及数字化矿山建设打下基础。本文结合矿井压风制氮设备控制系统现状，提出了存在的问题并指出了详细的实施方案，对今后煤矿企业压风制氮控制系统智能化改造具有一定的借鉴意义。

关键词：压风制氮,控制系统,技术改造

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