空压机综合保护及控制系统研制.pdf

2 0 0 3年 第 9期 煤 矿 机 械 3 7 文章 编号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 0 0 3 0 9 0 0 3 7 ． 0 3 空压 机综合保护及控 制 系统 研 制 张 建 生’ ．叶佳 卓。 1 ． 湖 南 资兴 矿业 集 团 周 源 山煤 矿 ，湖 南 郴州 4 2 3 4 0 4 ；2． 湖 南大学 电气与 信息 工程 学 院 ，湖南 长沙 4 1 0 0 8 2 摘要 介绍 了一种基 于单片机 、 微机 为核 心的空压机 的综合保 护及控制 系统 的组成、 工作 原 理 、 主要功 能和技 术特点 ， 软 件的设计与关键 问题所 采取的技 术措施 等 内容 。经 实践表 明 ， 该 系统 运 行 稳 定 、 可 靠 、 效 果好 。 关 键 词 空 压 机 ；综 合 保 护 ；实 时监 控 ；抗 干扰 中 图 号 T P 1 3 文献 标 识 码 A 1 引言 目前 国内大量运行 的空压机大都采用一般 的继 电器控制 ， 其监控 、 保 护 的技术 水平 低下 ， 温度 和压 力的检测均采用 电接点 压力 表和 电接 点温度 计 ， 断 水保护 也是用触点 开关 ， 故 障率高 ， 维 护 量大 ， 运 行 极不 可靠 ， 难 以达到 煤 矿安 全规 程 对空 压 机运行 从油 流实验结果 可以看 出轮毂上面在靠近叶根 处存在 明显 的流动 分离 区域 ， 分离线 近似 垂直 于气 流方 向 ， 分离 和主流 区有 明显 的分界 ， 那么可 以流动 分离 区 即二次流 区域的大小判断轴 流风机 内部流 动 情 况 ， 这 也 同 时 说 明 油 流 实 验 可 以完 全 捕 捉 到 有 关 轮毂靠近 叶根 处二次流 的详细信 息。 5结 语 以前 许 多油 流试验 是在 吹风试 验 中完成的 ， 由 于叶轮在 工作时是 高 速旋 转 的 ， 这 并没 有完 全反应 出 真 正 的 内部 流 场情 况 。本 文 所 进 行 的油 流试 验 是 在风 机 运 转 工 程 中进 行 的 ， 比较 真 实 地 反 应 出 叶 片 表 面 边 界 层 流 动 情 况 。在 此 之前 ， 文 献 [ 3 ] 利 用 此 方 法对离心 风机的真 实 流场进 行 了研究 ， 很 好地 结合 了非线性 动力学理 论 ， 在 叶轮 机 械 内部 流动 非线性 研究 取得 了开 拓性进 展 。轴流风机 和离心风 机相比 较而言 ， 前 者 内部 流场要 比后者 的流场复杂得 多 ， 这 也可以通过二 者的 油流 实验 结果看 出 ， 无论 是在 设 计工况下还 是在非设 计 工况 条件 下 ， 轴流 风机 内部 流场都 比离心风机要 紊乱。 1 油流实 验能 很好 地捕 捉到 轴 流风机 内部 流 动的一 些重要信 息 ， 加 深 了对 轴 流风机 内部 流动 的 的规定要求 。周源 山煤矿和湖南大学联 合研制 开 发 的空压机综合保护及 控制系统 ， 通 过采用压力 、 温 度 ， 流量传感器和单 片机 、 工控机组成 的检测 和保护 系统 。 彻底解决 了 以上提 出的问题 。该 系 统实 现 了 运行 状况实时在线 检测 、 参 数超 限报 警 、 卸 荷 、 延 时 停机等功能 。并 以 良好 的屏 幕界面对运行参 数进行 进 一 步 理 解 。 2 轮毂上 的油流显 示 图谱 可 以清楚 地体 现二 次涡流 的范 围和发展趋势 ， 在轮毂上 ， 通过油 流谱 可 以看 出 ， 在靠 近叶根 的地方 有分 离而 且分 离 流线很 明显 ， 分离 区域 由入 口向 叶轮 出 口扩 大 。这 证 明了 叶根部位有流动 分离 和涡 系 的存在 ， 小 流量 工况 下 二次涡流区变大 。 参 考文献 [ 1 ] 邓学蓥， 等 ． 油流显示技术和油流谱分析原理【 J 】 ． 空气动力学学 报 ， 1 9 8 7 ， 2 31 1 ． 【 2 】 张 涵信 ． 分离 线上 的奇点 以及 分 离线 的 形态 【 J 】 ． 空 气 动 力 学学 报 ， 1 9 8 7 ， 5 I l ～9 ． 【 3 】 李意 民 ． 离 心叶轮 内部流 动非 线性动 力学 理论 和应 用的研 究【 D] ．中 国矿业大 学博 士论文 ， 1 9 9 8 ． 【 4 】 王 晓东 ． 轴流 风机小 流量 工况 内部流 动理 论 与实 验研 究 [ D】 ．硕 士论文 ， 2 0 0 3 ． 4 ． 作 者简介 毛好 喜 1 9 7 3一 ， 湖 南邵 阳人 ， 1 9 9 8年毕 业 于 中国 矿 业 大学机 械 电子工程 专业 ， 主要从 事 机 电一 体化 技 术 的教 学 与 科 研 工作 ． 收稿 日期 2 0 0 3 - 0 6 - 0 5 Oi l f l O w v i s ua l i z a t i o n e x p e r i m e nt r e s e a r c h O n a x i a l f l o w f ．a n M AO I t a o - x i ‘，W ANG Xi n- y o ng 2 1 。 Na n h a i B r a n c h f V o c a t i o n a l T e c h n o l o g y C o H e g e o f F u o s h a n f F u o s h a n 5 2 8 2 3 7 ， C h i n a； 2 ． E l e e t r o m e c h a n i e a l I n s t i t u t e o f C h i n a U n i v e r s i t y o f m i n i n g＆T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C h i na Ab s t r a c t FI O W v i s u a l i z a t i o n t e c h n o l o g y i S o n e o f t h e mo s t i mp o r t a n t e x p e r i me n t me t ho d s f r e q ue n t l y U S e d i n s t u d y i n g o f flu i d me c h a ni c s an d a i r d y n a mi c s． 0i l flo w v i s u a l i z a t i o n t e c hn o l o g y。 o n e o f most u s e d flo w v i s u a l i z a t i o n e x p e rime n t me t h． od 。 Wfl S u t i l i z e d i n t he r e s e a r c h o n i n n e r - flo w o f a x i a l flo w f an i n t h i s a r t i c l e． S e p a r a t e d flo w l i n e an d s e c o n d flo w a l e S U C ． c e s ofu l l y c a p t u r e d i n t h i s e x p e r i me n t ． By me a n s o f t h e s i mp l e s ur f a c e o i l flo w v i s u a l i z a t i o n me thod we c 8 2 1 c a p t u re ma n y i m- po r t a nt i n f o r ma t i o n o f c o mp l e x fl o w p h e n o me n o n． Ke y wo r d s a x i a l flo w f an ；o i l f l o w v i s ua l i z a t i o ns e c o n d flo w；e x p e rime n t res e a r c h 维普资讯 3 8 空 压机综 合保护及控制 系统研制 张建生 ， 等 2 0 0 3年第 9期 显 示 ， 对 各种运行 参 数进 行 存储 。以其 良好 的性 能 与准确 、 稳定 的数 据在线监测 ， 成功地实现 了空压机 运转过 程中的各种 安全保护 。 2主 要 功 能 及 特 点 1 温 度监测 与 保护 实时监 测 空压 机运 转过 程中的一级排 气温 度 、 二级 排 气温度 、 风包 温度 ， 可 实现超 限声 、 光告警 与停机保护 。 2 压力监测 与保 护 实 时监 测空 压机 运转过 程 中的一级排气 压 力 、 二级 排气 压力 、 润滑油压 力 ， 可 实现超 限声 、 光告警 卸荷与延时停机保护 。 3 断水指示 与保护 空压 机运 转过 程 中出现 断水时 ， 监控 系统 可快 速告警并停机 。 4 空压机群 组集 中控 制 该 系统 完成空 压机 群组 5台、 6台或多 台 的集 中控制 。 3系统 总体 结构设计 整 个系统 由传感 器 、 电气箱 、 控 制柜 、 工控 机 等 组 成 ， 其 系统结 构 图如图 1所示 。传 感器 将采集 的 信 号转化成 42 0 m A电流信 号 ， 通过低噪声 电缆传 送 至下位 机进行 放大 、 滤波 、 A ／ D转换送至单 片机处 理 ， 下 位机通过 R S 一4 8 5与上位工控机通讯 ， 把采集 到的参量送 到工控 机进 行逻 辑判 断 ， 同时发控 制信 息到下 位机 ， 下 位 机发 送逻 辑控 制 量到控 制柜 。信 号 的处 理各 台分 开 ， 采用模 块式 ， 每 台空压机 的从 传 感器 来的信号用 一个单 片机 系统处 理。这样各 台互 不干扰 ， 一 台出问题 不会影响其它机器 的运行 。 图 1系 统 结 构 框 图 啦． 1 T h e f r l i i l l e d i a g 舢o f t h e 8 y b T e m 4各功能模块 概述 1 信号前端 本 系统要求进行 4种保 护 超温保护 、 润滑油缺 油保 护 、 排 气压力 保 护和缺 冷却 水保 护 。超 温保 护 用 3个 一4 02 0 4℃的温度传感 器 一级排 气温度 、 二级 排气温度 、 风包 温度 ， 润滑 油缺油 保护 用一 个 1 MP量程 的压力 传感器 测试油 压 ， 排 气压力保 护采 用 2个压 力传 感 器测 试 空压 机 所排 的气 体 的压 力 一级 排气压力 、 二级排气 压力 ， 缺水保护采用流量 传感器 ， 检测冷却 水的流量 ， 低于下 限值 时停机 。 2 下 位 机 处 理 下位机 主要 由 1 个 8 9 C 5 1 单片机 和信号处 理模 块 、 A ／ D转换模块 等组 成 ， 负责把 传感器 的信号采集 成数字量 ， 送 入上位 机进行 处 理 棒 图显 示 ， 报 警判 别 ， 传感器 的信 号是电流信 号 ， 在 A ／ D转 化之 前加 一 个高精度 电阻 ， 并 把 高精度 电 阻上 的 电压 标定 在 一 5 V～ 5 V之 间。信号前端处理如 图 2所示 。同 时下位机预 留端 口， 作 为和控制柜 的接 口， 上位机发 过来的控制信息通过下位机 去控制 卸荷 阀卸荷和延 时 停 机 。 图 2信 号 前 端 处 理 示 意 图 Fi g． 2 T h e s k e t c h ma p o ft h ee a t e df o r me r 3 上位机处理 上位机 选用 工控机 ， 主要负责 把前 端采集 的信 号还原成现场各 实际参 量 的量纲 显示 出来 ， 采 用棒 图显示 ， 设定 报警标 准 和控 制处理 措施 。根据 采集 到的信号量 的水 平发送 相应 的控 制信 息 到下位 机 。 上位机主程 序框图如图 3所示 。 图 3上 位 机 主 程 序 框 图 ．3 The- I u ne d i a 舯m o ft he m a i n pr o gr a mme o f th e e pi g y ny nmc hi ne 5软 件 设 计 软件设 计采 用 V C与汇 编语 言混 合 编程 ， 模 块 式结构 。在软件设计过程 中着重提高程序 的质量 和 可靠性及抗干扰 能力 和数据 采集精度 。软件 主要 由 初 始化模块 、 显示模 块 、 数据 采集 模块 、 综 合 保护模 块 、 运行状态控制模块 和程 序监 控器复位程序 、 数 据 处理及数字滤波等若干通用子程序组成 。 1 软件 的质 量和 可靠性 做到 程序 尽 可能简 维普资讯 2 0 0 3年第 9期 空压机综合保护及控制 系统研制 张建 生 ， 等 3 9 洁 ， 对各模块 的入 口参数 、 各 模块 使用 的标 志 、 各子 程序的入 口参数 和使 用的标志 以及各种输 入状态 进 行 多 重 判 断 ， 设 立 双 重 标 志 等 方 法 ， 并 做 出 相 应 的 出 错处理 ， 提高 了可靠性 。 2 抗干扰能力 在各模块 间、 各子程序间 以及 各子程序重要 的跳转处加入若干条 空操作 指令 和一 条转移指令 ， 该措施 可 以使 受干 扰的 程序 迅速恢 复 正常工作 ， 对外 界强干 扰则 由程 序监 视器 来校 正软 件 的运行轨 迹 。采用 程序监 视 器 ， 自动拉 回飞跑 的 程 序 。 3 数据采集精 度 对 信号 进行 多次 采集双重 数字滤波 滤除干扰 成分 ， 对 超 限和故 障参 数则进 行 延 时 的 连 续 采 集 和 多 重 确 认 。 6调 试 及 测 控 效 果 分 析 在 系统 调试 中 ， 利 用 软、 硬 件 的模块化 功 能 ， 采 用循序 渐进 的分 步 调 试方 法 。撇 开计 算 机控 制 系 统 ， 对 电气控制 部分进 行 调试 ， 将控 制 柜面板 上“ 手 动／ 自动 ” 转换开 关 打到 “ 手 动” 位 置 ， 先测 试各设 备 手动启停按钮是 否 正常 ， 再 由操 作人 员分别 按空 压 机启停 步骤手 动启动 和停止 空压机 运行 。 启 动 监 控 系 统 ， 关 掉 工 控 机 ， 将 控 制 柜 面 板 上 “ 手 动 ／自动 ” 转 换 开 关 打 到“自动 ” 位 置 ， 系 统 下 位 机 工作 正常 ， 传感器采 集信 号送 至 电气控 制箱 进行监 控 ， 实现对 空压机实 时监控 、 超 限报警 、 卸荷 、 延 时停 机 。这 一步正常后说 明 ， 万一计算机部分 出现故 障 ， 系统 也 能 实 现 正 常 的监 控 。 启 动 工控机 ， 计算机 能实 时显示所 有机 组状态 参 数 ， 能远 程控制机组 的卸 荷 、 停机 ， 显示故障点。 全套 系统 调试 完投入 使用 ， 值 班操作人 员在值 班 室 就 可 知 道 空 压 机 的 运 行 状 况 ， 当需 要 时 还 可 将 压力运 行曲线打印 出来 以供技 术人员分析。 7系统 的抗干扰措施 系统运行 的电气 环境 较差 ， 高电压 、 大 电流 、 强 电磁场 等干扰很 严重 。为确保 系统工作 的高度 可靠 性 ， 根据空压机工作 现场 条件 ， 采 取措 施 ， 以进一 步 提高监控 系统的准确性与可靠性 。 1 温度变送采用 WP 2 0型温度 变送器 ， 压 力 变 送采用 HS 9 5 6系列合金薄 膜变送器 ， 具有 高精度 、 零 点漂移小 、 可靠性强 、 能适 应恶劣环境等特点 。温度 变送器 、 压力变送 器信号 均采 用两 线制 标准 电流信 号传 送 。 2 输入输 出控制 电路 全部 采用 了光 耦 隔离 技 术 ， 输 出电路采用了光耦 和继 电器双重 隔离 技术 、 数 字滤波技术 和程序 监控器等抗干扰技术 。 3 采用“ 一对一” 屏蔽 电缆接线等技术 。 4 采用防雷击 、 瞬态抑制器 、 系统合 理接地 、 正 确浮地、 屏蔽 、 稳压 电源 、 电缆敷设 及 主要器 件 附件 的电容滤波等方 面都采 取 了相应有 效措 施 ， 以进 一 步提高整套 系统工作 的稳 定性与可靠性 。 5 上 位 机 、 下 位 机 通 讯 采用 奇偶 校 验 。 8结 语 空压机综合 保护 及控 制 系统是 针 对 矿用 5 卜 4 0 ／ 8和 4 L _2 0 ／ 8空压机而设计 的 ， 现场运行表 明其 硬件结构合理 ， 抗干 扰能 力强 ， 运行 可靠 稳 定 ， 使用 方 便。实现了矿用空压机组的工况参数实 时在线 自 动监测 、 调控 、 记录和显示 。对提高空 压机运行 的 自 动化水平 和管理水平 发挥 了极 其重要 的作用 ， 提 高 了矿 山的生产效率 。 参考 文献 [ 1 ] 王增才 ， 冯森林 ． 高 可靠 性 空压机 可编程 P t C 监控 系统研 究 [ J 1． 矿 山机械 ， 2 0 0 0 ， 3 1 51 6． [ 2 ] 冯全斌 ， 郁青林 ， 岳 朝柱 ， 等 ． 空 压机 群 组微 机 监控 系统 [ J 】 ． 山东 煤 炭 科 技 ． 2 0 0 0． 3 2 42 5 ． 作者 简介 张建 生 1 9 6 6一 ， 湖南 安 仁 人 ， 工程 师 ， 国 防科 技 大 学计算 机及应用 专业 毕业 ， 现 任湖 南资 兴 矿 业集 团周 源 山 煤 矿机 电 副总 ， 主要从 事机 电技 术 及管理工 作 ． 收 稿 日期 2 0 0 3 ． 0 6 - 1 6 Re s e a r c h 0 n t h e g e n e r a l s a f e g ua r d a n d c o nt r o l s ys t e m 0l t he a l r c om or e s s or Z H AN G J i a n - S h e n g ． Y E J i a ． z h u 0 2 1． z | l o u y u a I l s h a n C o a l Mi n e o f Hu n a n Z i x i n g Mi n g G r o u p - C h e n z h o u 4 2 3 4 0 4 ， C h i n a； 2． C o l l e g e o f El e c t r i c a l a n d I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g ， Hu n a n U n i v e r s i t y ， Ch a n g s h a， 4 1 0 0 8 2， C h i na Ab s t r ac t I n t h i s p a p e r ， t h e g e n e r a l s a f e g ua r d a nd c o mp o s i n g， wo r k i n g p rin c i p l e， p rima r y f u n c t i o n an d t e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c o f t he c o n t r o l s y s t e m o f t h e a i r c o mp r e s s o r wh i c h ma i y b a s e d o n t h e s i n g l e c hi ps an d c o mp u t e r we r e i n t r o d u c e d． 1 1 1 e prog r a mmi n g d e s i g n an d t h e t e c h n i c a l me a s u r e a b o u t k e y prob l e ms we r e a l s o p r e s e n t e d． Th e p r a c t i c e s h o we d t h a t t h e r u n n i n g s y s t e m o f t h e a i r c o mpos e r wa s r e l i a b l e an d s t e a d y， an d h a d t h e g o o d e ffe c t ． Ke y wo r d s a i r c o mp r e s s o r ； g e n e r a l s afe gua r d； r e al t i me mo n i t o ri n g； ant i - j a mmi n g 维普资讯