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1　概述
　　目前，國內(nèi)廠礦企業(yè)大量運行的空氣壓縮機大都采用一般的繼電器控制系統(tǒng)，不但其控制、監(jiān)測和保護的技術水平低，而且低效運行耗能損失嚴重。由于風動工具用風量的不連續(xù)性和不均勻性，特別是中小型礦山僅采用兩臺甚至一臺空壓機正常運行時，經(jīng)常造成長時間的空氣壓縮機全壓空載無效運轉，造成電能的大量浪費并加劇了設備的磨損，若經(jīng)常起動和停止空壓機，不但操作頻繁，而且會影響風動工具的正常工作。
　　近年來，雖有個別大型礦井采用了空壓機自動控制以及微機控制技術措施，使空壓機監(jiān)測的落后局面有所改進。但都沒能實現(xiàn)節(jié)能與綜合控制和保護的機電一體化綜合技術改造，尤其是大量中小型廠礦的空壓機運行狀況更是如此。
　　因此，國內(nèi)大量在線運行的空壓機綜合監(jiān)控、保護技術水平低下，耗能嚴重的問題亟待解決，盡快研制開發(fā)出能對空壓機集節(jié)能、監(jiān)控、保護等功能于一體的智能型綜合裝置，成為重要的研究課題。
　　“KJN-智能型空壓機節(jié)能與監(jiān)控、保護綜合裝置的研制”課題，于1997年6月開發(fā)完成樣機試制，1997年8月投入工業(yè)性試驗運行，經(jīng)過一年多的試驗，于1998年10月15日通過了由山東省煤炭工業(yè)管理局組織的技術鑒定。專家鑒定委員會一致認為：
　　(1)該綜合裝置集節(jié)能、監(jiān)控、保護等功能于一體，以單片微機為控制核心，具有全壓運行與空載降壓節(jié)能狀態(tài)切換、起停控制和鎖定控制、故障信息記憶、狀態(tài)預切換等功能；可實時檢測一、二級排氣溫度、排氣壓力、風包溫度、壓力、潤滑油壓及電機電流等實時參數(shù)；實現(xiàn)過溫、過壓、過流、斷水等11項綜合保護；解決了系統(tǒng)抗干擾、運行狀態(tài)確認、沖擊電流抑制等關鍵技術問題。
　　(2)經(jīng)運行試驗，該裝置軟、硬件設計合理，功能齊全，性能良好，可靠性高，用戶使用方便，節(jié)能效果明顯?，F(xiàn)場實際性能測試表明：空壓機空載電流下降43.3%，空載時節(jié)電率達33.5%，空載能量損耗降低60.5%。對提高空壓機運行的自動化水平和管理水平具有重要的現(xiàn)實意義。經(jīng)查新，該綜合裝置屬國內(nèi)創(chuàng)新，其技術性能達到國內(nèi)。
2　裝置的組成及工作原理
　　本裝置由控制柜和監(jiān)控儀兩部分組成?？刂乒衽c原控制柜聯(lián)合使用，作空載節(jié)能控制運行。監(jiān)控儀可以安裝在機房控制室或者遠離空壓機房作遠距離監(jiān)控使用，系統(tǒng)的組成如圖1所示。
　　為減少空壓機空載運行時的能量損耗，控制柜采用降壓技術，使空載時自動降壓到額定電壓的60%、空壓機空載電流下降43%以上，達到節(jié)能效果。同時(用戶可增選項)采用無功就地補償技術提高功率因數(shù)到0.95以上。
　　采用性能優(yōu)良的單片微型計算機為核心構成監(jiān)控儀。在監(jiān)控軟件控制下完成節(jié)能狀態(tài)切換，起動與停機控制、運行參數(shù)檢測及綜合保護等全部功能。
　　在一臺監(jiān)控儀上，同一軟件實現(xiàn)不同功能的靈活組態(tài)，可由用戶任選其中的幾項功能或全部功能，可選擇自動控制或鎖定、有或無實時參數(shù)檢測及關閉某一項，降壓切換或解除，參數(shù)超上上限保護和超限接點開關量保護兩種方式兼容，任選保護項目，以增加用戶使用靈活性。
　　實時參數(shù)超限保護方式由超上限(或下限)聲光報警及超上上限(或下下限)故障停機保護構成，當檢測的任一種實時參數(shù)超過其上限（或油壓下限）時，監(jiān)控儀將發(fā)出蜂鳴聲響報警，發(fā)光管顯示超限性質，并由數(shù)碼顯示器顯示超限參數(shù)值；當檢測的任一路實時參數(shù)超過其上上限(或下下限)時，將自動作用于故障停機由監(jiān)控儀發(fā)出同上的聲光報警，并記憶4次故障信息，由于停電不丟失該數(shù)據(jù)，為用戶追憶分析故障提供了方便。
3　裝置的主要功能與技術特點
3.1　空壓機的空載節(jié)能運行功能與技術特點
　　具有對空壓機全壓運行與空載降壓運行狀態(tài)的自動控制切換功能，使空壓機的空載電流減少43%以上，總減少空載能量損耗60%左右，總直觀節(jié)電率達到30%，較大地提高了電網(wǎng)的能量轉換效率。具有明顯的節(jié)能效果。
3.2　對空壓機的控制功能與技術特點
　　可以機房就地或值班控制室控制空壓機系統(tǒng)的起動與停機。具有自動控制與鎖定控制兩種狀態(tài)的切換功能。
3.3　運行參數(shù)的實時檢測功能與技術特點
　　具有對空壓機的多種運行參數(shù)進行實時檢測與顯示功能，便于隨時正確掌握各種運行狀態(tài)，預測系統(tǒng)的運行趨勢，提高系統(tǒng)運行的可靠性。
　　實時檢測的參數(shù)有：空壓機的排氣溫度、二級排氣溫度、風包溫度、潤滑油溫度；空壓機的排氣壓力、二級排氣壓力、風包壓力、潤滑油壓力；空壓機的電動機工作電流等運行參數(shù)。
3.4　完善的綜合保護功能與技術特點
　　本裝置具有一套完善的可被用戶任意選項使用的綜合保護功能。
　　(1)被檢測參數(shù)的超上限(油壓下限)或超上上限(油壓下下限)的保護。超上限時發(fā)出蜂鳴，超上上限時作用于自動停機。
　　(2)超限接點動作保護。可接入各種電接點儀表或繼電器的超限動作的無源接點或有源接點實現(xiàn)超限保護。其類型包括溫度、二級溫度、風包溫度、潤滑油溫度、冷卻水斷水、冷卻水超溫、排氣壓力、二級排氣壓力、風包壓力、潤滑油壓力、電動機過電流等11種超限保護。
　　(3)實時檢測參數(shù)的保護和超限接點動作保護可兼容使用并可根據(jù)用戶條件靈活選項使用。兩類保護同時選用或選某一保護項目時，均具有同樣的保護出口和顯示。
　　(4)可以設置長時空車運行限制功能。
3.5　實時日歷時鐘功能與技術特點
　　實時日歷鐘可分別顯示年、月、日、星期、時、分、秒，具有停電不停鐘及人工校鐘的功能。具有潤年補償功能，也可設置夏令時功能。
3.6　故障信息記憶和追憶功能與技術特點
　　監(jiān)控儀具有對發(fā)生參數(shù)超限及其它故障的日期、時間(時、分、秒)、故障類型、故障編號、故障參數(shù)值等信息進行存儲記憶功能，并可事后追憶顯示。便于值班人員進行事故記錄和技術人員分析排除故障。
3.7　靈活的顯示功能與技術特點
　　監(jiān)控儀面板裝設16位LED數(shù)碼管及16個LED指示燈，作為各種參數(shù)與狀態(tài)的顯示器。顯示方式靈活多樣，可在以下方式選擇：① 日歷時鐘顯示方式；② 溫度電流顯示方式；③ 壓力顯示方式；④ 定時交替顯示方式；⑤ 故障追憶顯示方式。
3.8　空載到全壓的預切換功能與技術特點
　　能夠在線調(diào)整空載到全壓預先切換的下限壓力值。即在風包壓力下降到氣閥動作之前，提前將運行狀態(tài)切換到額定電壓下運行，以有效地減少切換時的沖擊電流。
4　控制線路設計與監(jiān)控儀的研制
4.1　控制線路設計
　　節(jié)能控制柜控制線路設計的原則是充分利用原有的起動控制柜線路。主電路正常全壓運行狀態(tài)由原控制器件完成，降壓運行狀態(tài)由節(jié)能控制柜承擔，新舊柜形成電路上的并行接線，空氣開關仍利用原柜的空氣開關，這樣可以大大降低系統(tǒng)造價。
　　在控制邏輯上將兩柜的控制線路組合成一個整體控制方案。由于原控制柜只考慮主接觸器和短接頻敏變阻器的接觸器之間的閉鎖關系，而引入降壓運行后，需要在斷開主接觸器時，仍保持頻敏變阻接觸器吸合。為此，須在起動后使頻敏變阻接觸器常閉，同時主接觸器與降壓主回路接觸器具有相互閉鎖關系及使原保護部件對節(jié)能柜與原柜均具有保護作用。
　　當節(jié)能柜在自動控制位置，兩個控制柜均置于監(jiān)控儀的監(jiān)控下運行，監(jiān)控儀的控制出口帶載能力有限，在新柜中使用AC 36～220 V(可選)的JZ7中間繼電器驅動接觸器吸引線圈。為防止原控制柜和節(jié)能柜在形成一個整體電路后帶來的相互影響或維護中的不便，節(jié)能柜上增設一個“自動控制/解除”主令轉換開關。當其置于“自動”位時，兩柜按新設計的動作規(guī)律協(xié)調(diào)控制。當置于“解除”位時，使其控制邏輯和操作方法同原柜完全一樣。有效地解決了故障因素的相互影響問題，在新節(jié)能柜需要維修時，不影響空壓機的正常運行。
　　監(jiān)控儀對系統(tǒng)實施控制時，狀態(tài)切換的動作時間與狀態(tài)的維持時間相比短得多，因而采用長時作用的控制信號是不明智的。一旦監(jiān)控儀有絲毫的失靈或故障，就會危及系統(tǒng)的運行。采用自復位式控制出口方式，即沿用繼電器控制時控制指令只在切換過程中短時起作用，進入維持階段即使有短時的監(jiān)控儀退出工作，系統(tǒng)仍能正常工作。從而對監(jiān)控儀的要求大大降低，提高了系統(tǒng)的可靠性。
4.2　監(jiān)控儀的研制
4.2.1　硬件研制
　　監(jiān)控儀以單片微計算機為核心進行擴展設計。硬件系統(tǒng)主要由單片微控制器與存儲器、模數(shù)轉換電路、控制輸出電路、光電耦合電路、狀態(tài)輸入及保護輸入電路、鍵盤顯示器等電路組成。
　　其組成框圖如圖2所示。儀器內(nèi)部主要由主板和鍵盤顯示板構成。
　　(1)微處理器。Intel公司的MCS-51系列單片微機具有的特點是：8位CPU;片內(nèi)振蕩器頻率達12 MHz，片內(nèi)4 kROM和128字節(jié)RAM；可尋址空間64 k×2；21個SFR；32根I/O線；2個16位定時器/計數(shù)器；2個優(yōu)先級、5個中斷源；全雙工串行口和較強的指令功能。從性能價格比等因素考慮，擬選用80C31單片機作控制核心。經(jīng)鎖存器形成地址總線、數(shù)據(jù)總線；擴展8 k程序存儲器，8 k數(shù)據(jù)存儲器。由于本系統(tǒng)外圍擴展芯片較多，已超出了單片機的I/O口驅動能力，因此，三總線均經(jīng)過74LS245驅動器予以驅動。
　　(2)外圍接口電路。選用可編程外圍接口芯片組成鍵盤顯示器接口電路和狀態(tài)輸入及保護輸入接口電路?？刂瞥隹诓捎梦⒗^電器組成4個控制出口，控制數(shù)據(jù)信號路徑為：鎖存器→光電隔離器→反相驅動器→控制出口。
　　(3)輸入輸出信號的傳輸與隔離。在設計信號傳輸方式時，充分考慮到儀器可以遠距離安裝的需要，從信號的傳輸和抗干擾的角度出發(fā)，采用電流傳輸，增加信號能量。輸入電路可選為0～10 mA電流方式或0～5 V電壓方式。
　　采用光耦是硬件抗干擾的措施。本系統(tǒng)的外圍設備均為高電壓、大容量設備，如電動機、較大功率接觸器等。既存在很強的電磁干擾，又有擊穿絕緣的可能性。因此，所有輸入輸出電路全部經(jīng)光耦隔離。由于輸入信號與監(jiān)控儀不共地，輸入信號是通過光耦的光效應進入監(jiān)控儀電路的，這樣在電氣上就把儀器與外部完全隔離開來，有效地防止外界干擾的串入。在控制輸出電路則采用光耦和微繼電器雙重隔離措施。
　　(4)實時時鐘與非易失RAM電路。考慮到本儀器今后可作為下級監(jiān)控機使用及現(xiàn)時功能的完善，設置了實時時鐘。同時又考慮到系統(tǒng)需要非易失數(shù)據(jù)存儲器，把二者結合在一起，主板上采用了DALLAS公司功能較完善的實時時鐘芯片，該芯片的特點是在斷電情況下運行10 a不丟失數(shù)據(jù)，計秒、分、時、日、星期、月、年，具有時間警報功能，有114個RAM單元與軟件接口。這不但保證了時鐘的準確性，減小了每次開機校鐘的麻煩，更主要的是為軟件中的故障信息記憶及在線調(diào)整參數(shù)的掉電保存功能提供了非易失RAM的硬件基礎。由于該芯片的采用，避免了備用電池的出現(xiàn)和EEPROM的使用，使電路適當?shù)暮喕?br /> 　　(5)模數(shù)轉換電路。模擬量轉換為數(shù)據(jù)量是參數(shù)檢測的主要電路，選用了MAXIM公司新推出的12位A/D新產(chǎn)品，分辨率高，單一5 V電源供電，程序可選單雙性4種輸入范圍，自帶八選一多路開關，內(nèi)外時鐘可選，轉換時間僅6 μs等優(yōu)點。
　　(6)鍵盤顯示器電路。由于本顯示器顯示方式及顯示位數(shù)多，為減少I/O線數(shù)量，采用并行接口串行顯示的方案，結合軟件編程，僅占用了6根I/O線，實現(xiàn)16位數(shù)字顯示。
　　(7)資源余量。硬件設計不于本儀器的現(xiàn)有功能，充分考慮到進一步擴展成全部空壓機的分布式控制時，作為下位監(jiān)控機使用，預留了分機地址設置和RS-485串行通信接口電路。只需更換程序存儲器芯片就可作為一部完整的下位監(jiān)控機使用。
4.2.2　軟件設計
　　軟件采用C51與匯編語言混合編程，模塊式結構。在軟件設計過程中著重提高程序的質量和可靠性及抗干擾能力和數(shù)據(jù)采集精度。
　　軟件主要由初始化模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、綜合保護模塊、運行狀態(tài)控制模塊和程序監(jiān)控器復位程序、實時日歷時鐘中斷服務程序、數(shù)據(jù)處理及數(shù)字濾波等若干通用子程序組成。
　　(1)軟件的質量和可靠性。合理地提出各運算模型，繪制詳細軟件框圖，使程序盡可能簡潔，對各模塊的入口參數(shù)、各模塊使用的標志、各子程序的入口參數(shù)和使用的標志以及各種輸入狀態(tài)進行多重判斷，甚至設立雙重標志等方法，并做出相應的出錯處理，以提高可靠性。
　　(2)抗干擾能力。在各模塊間、各子程序間以及各子程序重要的跳轉處加入若干條空操作指令和一條轉移指令，當CPU受微干擾時該措施可以自行調(diào)整CPU的PC，使程序迅速恢復正常工作，對外界強干擾則由程序監(jiān)視器來校正軟件的運行軌跡。采用程序監(jiān)視器WATCHDOG，自動拉回飛跑的程序，采用多重標志及多重判斷等都是提高軟件抗干擾能力的有效措施。
　　(3)數(shù)據(jù)采集精度。首先對信號進行多次采集雙重數(shù)字濾波濾除干擾成分，對超限和故障參數(shù)則進行延時的連續(xù)采集和多重確認。
5　對關鍵技術問題采取的措施
5.1　系統(tǒng)的抗干擾
　　如前所述，本系統(tǒng)運行的電氣環(huán)境較差，高電壓、大電流、強電磁場等干擾是很嚴重的，更為不利的是本裝置在狀態(tài)控制的關鍵時刻正是各種開關動作而引起干擾加重的時刻。因此，為確保裝置工作的高度可靠性，在抗干擾方面技術要求是很高的。為此，在有關的輸入輸出控制電路全部有效地采用了光耦隔離技術，輸出電路采用了光耦和繼電器雙重隔離技術、數(shù)字濾波技術和程序監(jiān)控器等抗干擾技術措施。同時，還在系統(tǒng)的合理接地、正確浮地、屏蔽、穩(wěn)壓電源、電纜敷設、以及主要器件附近的電容濾波等方面都采取了相應的有效措施，確保了裝置和系統(tǒng)的可靠工作。
5.2　運行狀態(tài)的確認
　　正確控制的基礎是正確的狀態(tài)判斷。僅僅解決干擾問題是不夠的，這是由于在系統(tǒng)狀態(tài)改變的過程中，會出現(xiàn)各種雖不屬于干擾但會影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行的預想不到的情況。例如，人為地拉動調(diào)節(jié)閥桿使狀態(tài)不穩(wěn)；氣閥調(diào)節(jié)不妥而漏氣；手動關閥與行程開關超行程配合不當或配合關系的改變；空載到降壓時刻外線路的強行切除等因素。若處理不好，都會使系統(tǒng)判斷錯誤或導致頻繁的來回切換。對此類問題均采取了與之相對應的軟硬件措施，如記憶可能的歷史狀態(tài)、設立重進標志或禁止重進標志、適當延時等方法。使各種隨機異常情況都處在裝置的正確監(jiān)控之下。
5.3　沖擊電流的抑制
　　系統(tǒng)狀態(tài)的改變，必然導致電流的突變。在常規(guī)線路控制時由于系統(tǒng)是在重負荷下進行的切換，其沖擊電流很大，相當于起動電流的數(shù)量級。為了有效地抑制該沖擊電流，采取檢測壓力與氣閥動作壓力相比較，壓氣時由微處理機控制提前預切換；空載時待負荷全部切除速度相應提高后延時切換的技術方案，使沖擊電流了十分有效的抑制，僅比正常電流稍大一點。
5.4　接點可靠性處理
　　由于電工器材的質量原因，輔助接點接觸是經(jīng)常發(fā)生的問題，尤其在直流監(jiān)測回路電壓較低，克服不了接點的缺陷。對此也進行了必要的技術處理。
6　結語
　　隨著煤礦對自動化的要求不斷提高，空壓機節(jié)能運行和自動化實時監(jiān)控也勢在必行。由于該裝置功能多，且可靈活選用，為用戶使用帶來了方便，因此，其推廣應用前景廣闊。