空气压缩机联动控制和故障诊断报警系统的分析

潘高峰

（山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司， 山西 晋城 048000）

引言

随着我国工业4.0 的不断推进，未来煤矿行业将朝着数字化、智能化的方向发展。煤矿生产中空气压缩机是其必不可少的关键机械设备，空压机运行的稳定性直接关系到整个煤矿生产的安全和稳定，其数字化和智能化水平会在很大程度上影响工作效率[1-2]。为了保证空气压缩机的安全性和稳定性，目前已经发展出了远程控制和故障诊断预警系统，可以实现空气压缩机故障问题预警[3]。另一方面，随着世界能源局势的日益严峻，国家的节能减排要求给煤矿行业造成了极大的压力。而矿用空气压缩机能源消耗较大，在节能减排方面大有可为[4]。通过对空气压缩机实施联动控制，能够显著降低其能源消耗，降低其运行成本。

1 系统总体结构的概述

本文所述的矿用空气压缩机联动控制与故障诊断预警系统，其整体结构框架为三层集散式，利用PLC 作为控制手段。上位机利用组态软件建立监控过程的显示画面，构建空气压缩机运行过程数据信息库为故障诊断服务，通过上位机实现空气压缩机的远程联动控制以及运行过程中的故障诊断。下位机PLC 与上位机之间通过RS-485 总线进行连接通信，由于本系统为远程控制系统，所以上位机与空气压缩机工作现场之间通过光纤通信，确保长距离通讯的稳定性和安全性。现场同样利用PLC 作为控制手段，利用专业传感器采集收集空气压缩机在运行工作过程中的各项数据，并通过已编好的程序对数据进行分析与处理，处理结果经过RS-485 总线传输到上位机。

图1 空气压缩机联动控制流程图

2 矿用空气压缩机联动控制及其基本原理

在采煤工作过程中，通常都是多台空气压缩机同时工作才能够满足要求。矿用空气压缩机联动控制系统其最根本的作用就是将煤矿中所有的空气压缩机进行连接，接受所有空气压缩机的运行数据，实现多台机器的联动控制。系统能够综合考虑母管压力以及每台空气压缩机的运行数据自动地判断需要启停哪些机器，以此确保在充足供气的同时尽可能减少空气压缩机运行工作的数量。利用该联动控制系统可以显著降低空气压缩机的运行损耗以及能耗，降低运行成本，提升经济效益。如图1 所示为空气压缩机联动控制基本流程图。通过传感器实时检测母管压力并将其与设定的数值进行分析对比。若检测结果发现母管压力值较小且未达到设定的数值，那么空气压缩机就按照一定的顺序陆续开启。如果检测到的母管压力值达到了设定的数值，那么空气压缩机就按照启动顺序反向陆续停机工作。在联动控制系统的作用下，系统会自动判断每天空气压缩机的工作时长，从而时间运行主机的自动切换。如果某台机器长时间工作，那么系统就会自动识别并且将该机器停机，同时启动其他运行时间较短的机器。通过这种联动机制，可以避免某些空气压缩机长时间运行而其他机器长期停滞的现象。两台机器启动的时间间隔可以通过系统进行设置，同样的停机时间间隔也可以设置。本系统在第一次运行时，主机需要通过人工的方式在系统中进行选择，其他机器则在主机启动之后按照一定顺序陆续启动。本系统设置有紧急停机按钮，当出现紧急情况时通过按下该按钮可停止所有空气压缩机的运行。在操作人员的操作下才可以继续后续的工作，可在系统中实现主机的自动切换，这样在运行主机出现故障时系统能够根据相关的设置自动切换主机，确保整个空气压缩系统的正常稳定运行。

3 矿用空气压缩机故障诊断预警功能

3.1 故障诊断专家系统

本文所述的矿用空气压缩机故障诊断专家系统主要由六部分构成，分别为知识库、数据库、人机接口、推理机、知识获取机制和解释机制[5]。其中知识库和推理机是整个专家系统中最为关键的内容。首先需要通过传感器检测采集空气压缩机的运行状态数据，系统针对检测得到的数据信息进行分析和处理，并基于这些数据信息判断空气压缩机的状态，推理得到机器是否可能出现故障问题，以及造成这些问题的原因。基于Power Builder 9.0 平台搭建空气压缩机故障诊断专家系统，能够针对机器故障开展多极化推理，同时还可以给出推理结果的可信度信息，并根据推理结果给出故障问题处理方案[6]。通过SOL Server 2000 数据库系统来搭建专家系统中的知识库，并且基于故障树分析法来构建故障树模型，通过建立的模型对空气压缩机潜在的故障进行分析诊断和推理。在故障树模型中，空气压缩机的系统故障为顶层事件，其推理的顺序为从上而下，从而获得潜在的系统故障的中间事件类型，比如油压太低、轴承故障等，然后再基于中间事件类型进一步推理得到底层事件类型。例如，中间事件为轴承故障，则底层事件可能为轴承磨损导致间隙太大，甚至可能是轴承出现彻底损坏等。可以看出，在故障树模型中，空气压缩机不同故障类型之间通过逻辑门进行连接。故障诊断专家系统综合考虑机器的结构特征、功能特征，以及中间的逻辑关系，建立系统完善的逻辑故障树，并且将该推理模型存放在知识库中，推理过程按照该逻辑故障树的逻辑进行。

3.2 故障延时预警以及报警死区

如图2 所示为空气压缩机故障延时预警基本原理图。虚线表示空气压缩机在运行过程中检测到其中一个参数达到预警值时的变量曲线，而实线则表示延时之后的变量曲线。当某一参数达到预警值时，即t1时刻，就会引发系统报警，此时开始延时。延时时间为T，在整个延时过程中，如果该数值仍然超过了预警值，那么系统就确定需要报警，见图2-1。如果在延时时间T范围内，该数值降低至预警值以下，那么系统就会取消预警，不会产生报警信号，见图2-2。设置延时时间的目的是因为空气压缩机在运行过程中可能受外界因素影响，某些运行状态参数会出现较大波动，从而超过设置的预警值。但这种波动是暂时性的，不会对整个系统的安全稳定运行构成威胁，没必要进行报警。例如，空气压缩机在启动的瞬间会产生非常大的电流，该电流值是其正常运行时电流值的5～8 倍，这种情况下如果不设置延时报警，那么空气压缩机每次启动时系统都会进行报警，反而会对空气压缩系统的稳定运行造成影响。

空气压缩机在实际运行过程中，某些参数可能在预警线上下范围内频繁波动，从而导致系统不断报警，但报警很多都是不真实的，不利于系统的稳定运行。基于此，本文所述的故障预警系统设置了一个报警死区，该报警死区的范围可以在报警系统中根据实际情况设置。如图3 所示为空气压缩机故障报警死区基本原理图。基本原理是在原报警线的基础上设置一个报警范围，该范围称为死区范围，超过死区范围系统才会发生报警，当机器运行参数在死区范围波动时系统不会发生报警动作。通过设置死区范围，可以降低很多不必要的错误报警行为，提升了空气压缩机预警系统的可靠性。

图2 空气压缩机故障延时预警基本原理图

图3 空气压缩机故障报警死区基本原理图

4 系统上位机画面的构建

本系统在上位机中建立远程集控动态画面，在画面中呈现空气压缩机的整体布局以及虚拟结构，同时在画面中建立模拟仿真的管道开机流动动画。通过生动丰富的画面，相关的操作人员可以快速准确的掌握整个空气压缩系统的实际情况，防止出现误操作行为。在画面中设置所有空气压缩机的启停按钮，通过该按钮可以实现积极的远程启停。还创建有单控/联控切换按钮，通过该按钮能够在单机控制和联动控制之间进行灵活转换，使之更满足实际需要。画面中还设置有空气压缩机运行状态显示窗口，该窗口中会实时显示所有机器的运行状态参数，通过该窗口操作人员能够实时掌握所有空气压缩机的运行情况。