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另外，压风机多数运行工况点偏离设计点，致使运行效率偏低。
为此，必须对运行中的压风机进行有效的监测和控制，对压风机的各个参数和运行的工况建立一个完备的档案，为现场的管理和维护提供依据，以解决压风机运行中的安全性和经济性问题。
随着煤矿生产规模的扩大、生产效率的提高，井下通风系统对通风设备的监测监控提出了更高的要求。
利用设备在线监测监控等相关技术，实时掌握风机运行状态，发现早期故障隐患十分必要。
压风机是多系统联动工作的综合运转机械，整机的合理运行取决与各系统的正常工作。
压风机运行中发生的故障，尤其是积碳燃烧爆炸，活塞烧毁、活塞杆与连杆的断裂，曲轴的烧毁等重大事故，都是由于油、水、气的状态超过限值，压风机在不正常条件下工作所致。
因此，不仅要求加紧对压风机设备的日常维护，管理和定期按计划的检修，而且要求能凭科学手段检测调控、监视各个状态参数，使其工作在正常状态，确保压风机安全，经济运行。
同时，根据连续的检测，掌握设备的运行状态，才能对维护和检修采取准确、及时、科学的决策。
煤炭企业属于资源开采型企业，利用信息自动化监测、监控技术，改造传统产业，建设信息化、现代化矿井，对提升企业安全生产、经营管理水平，提高经济效益，增强企业核心竞争力，具有十分重要的意义。
压风机是大型厂矿企业供气部门的关键设备之一,在压风机房承担着矿井的压缩空气生产任务,为煤炭生产过程中提供风动力，其运行特性对整个工厂的正常生产有举足轻重的影响。
全面及时地掌握压风机的运行情况并根据运行情况对压风机进行适当的控制,使煤矿生产节约能源,提高厂矿企业的生产效率和安全系数。
1.2国内外发展概括
国外很早就对风机进行了研究。
至80年代，一般的风机均配有自动检测系统，不但能判断工况，还能进行故障诊断，预测使用寿命，预报维修极限，成功地对风机进行了检测，取得了很好的经济效益，如美国BentlyNevadCorporation（BNC）的系列产品、Westinghouse公司的PDS系统、IRD与ENTEK公司联合开发的5911系统、ScientificAtlanta公司的M6000系统以及日本三菱公司的MHM系统、法国的SMAV系统、瑞士的MACC系统，丹麦的Compass系统等。
其中美国开发最早，技术也最先进。
在这方面我国起步较晚，使用的检测仪器设备也比较落后。
我国的煤矿风机一般都在远离煤矿管理部门的井田边缘，压风设备的管理由于风量参数不能实现在线监测而成为煤矿自动化管理的薄弱环节。
因此，解决风机性能的在线监测和远距离通讯，已成为大型现代化矿井自动化管理的关键环节。
目前大部分厂家只对设备进行简单的点测，或是对风机进行简易的诊断。
近几年来，陆续有几家大中型企业开始安装了专用检测诊断设备对风机进行了长期检测。
05年南京因泰莱电器股份有限公司为银川力城电子煤矿设计了综合现代化通信、计算机自动控制与检测技术的全分布式计算机监控系统，它具有显示、打印、报警、状态识别、趋势分析、现场动平衡等功能，在实际应用中取得了很好的效果。
随着在线检测与自动控制技术的发展，系统的功能越来越强；
而随着企业管理的现代化，对设备运转的可靠性要求也越来越高：
从而使风机在线监控系统不断地趋于完善。
具体表现在以下几个方面:
（1）整体系统：
整个系统向着可靠性、智能化、开放性以及与设备融合为一体的方向发展，已从单纯监测分析诊断向主动控制的方向发展。
（2）采集器：
向着高精度、高速度、高集成以及多通道方向发展，精度从8位到12位甚至16位；
采集速度从几赫兹发展到可达到几万赫兹；
采集方式从等时采样到等角度同步整周期采样方向发展，这样可以提供包括相位在内的多种信息；
采集的数据从只有稳态数据发展到包括瞬态数据在内的多种数据。
（3）数据传输：
从计算机的串行口和并行口通讯向着网络通讯的方向发展。
（4）监测系统：
向对用户更友好的方向发展，显示直观化，操作方便化，采用计算机技术的最新成果，使用多媒体技术，大屏幕立体动态图象显示。
（5）数据存储；
向大容量方向发展，存储方式向通用大型数据库方向发展。
1.3本课题的指导思想和方法
本文从理论基础出发，基于计算机和PLC技术构成新型压风机监控系统，设计压风机集中监控系统的硬件和软件系统。
根据各个压风机控制的要求不同，由西门子可编程控制器来完成各种不同的信号控制、信号的传送和闭锁功能，并把取的数据送给上位机来显示各种所需的参数。
系统的构成是由上位机，西门子可编程序控制器，各种位置传感器，功率驱动电路和信号调理电路组成的。
通过PLC可实现对压风机的启动、停止、转换以及各种参数的监测保护。
各台空压机的地位是同等的、运行次序是人为设定的，控制功能完全一样。
上位机每隔一定时间自动刷新显示和打印联机运行空压机的全部参数值及日期、时间,也可以根据需要随时打印。
每台压风机可以与PLC联在一起进行监控，也可脱开PLC单独运行，PLC发生故障时不会影响空压机的运行，一台空压机发生故障或检修时，不会影响其他空压机的监控。
PLC选用西门子公司的S7-200系列的CPU226型，其扩展模块选用模拟量I/O模块EM235。
对一台压风机的十个模拟量进行采集，因此，六台压风机共需要三个PLC和十八个模拟量扩展EM235模块。
网络通信支持标准点对点接口协议（PPI），通讯采用一个RS-485，通讯距离为50米。
其控制台的可视界面用组态王5.1软件设计，用其软件设计的界面对压风机的各参数能方便、直观、快捷的看到，从而达到集中监控、实时控制的目的。
2空气压缩机及集中监控系统简介
2.1空气压缩机简述
2.1.1空气压缩机分类及特点
空气压缩机将原动机的机械能转换成空气的压力能，获得压缩气体；
压缩气体是矿山工业中常用的动力之一。
压缩空气的机械，因用途不同，对气体的压缩程度也不同。
按压缩气体的压力分为：
表2-1压缩气体的机械分类
通风机
P<
15kPa
鼓风机
P=15～300kPa
空气压缩机
P>
0.3MPa
按工作原理空气压缩机可分为：
轴流式
透平式离心式
混流式
滑片式
空气压缩机回转式螺杆式
容积式转子式
隔膜式
往复式
活塞式
图2-1空气压缩机的分类
活塞式压风机是利用曲柄连杆机构将原动机的旋转运动转化为活塞在气缸中的往复运动，使气缸容积周期性改变，压缩缸内气体，并通过缸体上的进、排气阀吸气、排气。
这种压风机在矿山工业中应用最广，具有以下优点：
a：
安全性好，减少了因电火花引起瓦斯爆炸事故的隐患，特别适用于高瓦斯或深部开采的矿井；
b：
缓冲性能好，减少钻凿坚硬岩石和煤层时的冲击振动；
c：
气动工具构造简单、易操作、重量轻、适于井下作业；
d：
废气可降温和改善井下通风
压气系统使用的压缩空气，是由驱动机驱动空气压缩机生产的。
空气压缩机的性能优劣、使用是否合理，将直接影响整个系统的能源效率。
因此，对压风机结构和耗能因素等进行分析以正确选择使用对矿山节约电能、压气系统管理是很有意义的。
2.1.2空气压缩机原理
大自然的自由空气在大气压力下，经过空气滤清器被吸入空气压缩汽缸内；
通过往复运动的活塞作用，使吸入的空气容积在汽缸内缩小，有低气压变为高气压，再通过排气阀门及管道排出，就获得具有一定压力的压缩空气。
因为空气经过容积由大变小、压力由低变高，就产生一定的热量。
为提高机器的效率与降低能耗，压缩空气在生产过程中需要经过冷却、分离油水和固体杂物，然后送入储气罐中以利使用。
这就是压风机的工作过程。
空气压缩机（简称压缩机）压缩气体，按最终压力的高低，可由一级压缩或多级压缩来完成。
但是，各级的工作原理是一样的。
作为空气压缩机，一般都是两级压缩。
图2-1所示为压缩机气缸工作时的理论循环过程。
当活塞自左向右移动时，气体以压力
进入气缸，4–1线段称进气过程；
而后活塞自右向左移，进入缸内的压力达到排气压力
后，气体被活塞排出气缸，2—3线段称为排气过程。
如是周而复始，4—1—2—3—4便是压缩机的理论工作循环过程。
图2-2空气压缩机的工作原理
2.2监控系统简述
一般情况下，监控系统是由过程控制级设备、监控控制级设备、管理级设备组成的多体系，它们通过网络互相连接。
过程控制级设备从过程对象采集实时数据，按预先设计好的控制策略，接受操作人员的控制指示，实现过程对对象的实时控制；
操作人员通过监控级设备，监视过程对象及控制装置的运行情况，并同过网络向过程级发出指令，干预过程对象的控制，同时可进行数据分析报表打印；
管理级设备可以接受监控级按规定的格式远传过来的数据，以便统一调度。
为实现集中监控的要求，完成实时数据采集、自动控制和上位机监控的功能，将监控系统分成两大部分：
下层过程控制级，上层过程控制管理级。
下层过程控制部分利用现场总线实现现场信号的采集、处理及与控制器的通讯。
在压风机集中控制室设有SIEMENS的S7-200作为过程控制中心控制单元（主站），压风机集中控制室的PLC采集到实时数据后，按预先编好的程序进行相应的处理，并发出相应的控制信号送给执行器，驱动设备运行。
上层管理级完成对现场设备的监视、控制和管理，并实现数据共享。
具体设置是：
在压风机集中控制室内设有一台监控上位机作为操作员兼工程师站，用于监控六台压风机的运行情况，并做出相应的动作。
3压风机监控系统的总体设计
3.1监控系统总体方案和特点
3.1.1设计方案
淮南某煤矿压风机房布置了六台D-100/8-e4压风机，用同步电机直联拖动，励磁柜供给励磁电源，本设计采用S7-200可编程序控制器，对六台压风机进行集中监控与控制，通过对现场的问题不断进行调整，达到了较完善的集中检测也控制功能。
每台压风机采用开关量，模拟量信号输入，开关量输出，模拟信号输出电缆一律采用屏蔽电缆，输出数据采用一对一巡检输出。
系统具有故障记忆功能，在声光报警状态下，自动记忆并锁定故障状态参数，以便分析。
3.1.2设计特点
（1）本设计共六台压风机，两台共用一套PLC，每台机可以任意开停互不影响。
传感器模块用标准线性电源供电，保证了信号传输的准确性和系统的可靠性。
（2）温度、压力传感变送器均采用两线制标准电流信号传输，才用“一对一”屏蔽电缆直接将变送器输出信号送PLC/AD模块，最终输出采用传感器专用显示仪表，可在线插拔、更换，不影响设备正常运行。
（3）操作台显示面板设计充分考虑了人体工程学，视觉艺术，利用组态软件设计，使外型美观，各种参数分区显示，使人一目了然，误差率低。
（4）硬件接口配置合理，并留有适量的硬件接口，软、硬件设计易于扩展，配套的元件性能可靠，高温、灰尘、噪音、振动四种恶劣条件下表现了S7-200型PLC及配套主器件的卓越性能，在高温条件下整机仍能稳定运行。
（5）在软件设计上，最大可能满足现场需求，考虑现场的维修特点及习惯，为了确保安全，使六台压风机之间具有联动和闭锁功能。
3.2主控系统设计
压风机的运行
主控系统压风机的停机
压风机的监控
控制系统
温度监控系统
压力监控系统
断油保护系统
过电流保护系统
图3-1控制系统的组成
拖动系统由TK550-12/1430型同步机完成，启动方式为异步全压启动。
在起动过程中，回路进入监控状态，使自动保护回路投入工作。
然后调定励磁电压，
启动电机，转子串入频敏变阻器，在它的励磁绕组中串入5-10倍的电阻，等启动到接近同步时再除去。
电动机如鼠笼式动机直接启动，待电动机转速达到或接近同步转速时，转子接入励磁进入同步运行。
（1）压风机运行过程中的监控与保护：
压风机运行过程中，自动监控系统可对其冷却水压，冷却水温度，润滑油压，排水温度，Ⅰ、Ⅱ排气压力，Ⅰ、Ⅱ排气温度，定子电流，风包温度等进行监视。
事故发生时，能及时声光报警和延时自动停机，对压风机实施保护。
该系统还必须有显示故障类型和记忆功能，直到故障排除，压风机才能再启动运行。
（2）压风机停机：
①正常停机
1.当主控回路停止按钮闭合，断电，停机。
2.压力控制系统根据用气需求，做出判断，自动断电，停机。
②紧急与事故停机：
自动断电、停机。
该功能由自动保护回路来完成。
压风机主控制系统原理图如下：
图3-2压风机主控系统原理方框图
3.3被控对象
结合现场实际和本课题需要，现场使用的压风机型号选择的是D-100/8-e4型空气压缩机性能特点如下表所示：
表3-1D-100/8-e4型空气压缩机性能特点
公称容积流量（m^3/min）
额定排气压力
转速（r/min）
型式
轴功率（KW）
100
0.8Mpa
500
对称,平衡,水冷
<
540
介质类别
润滑油耗量（g/h）
汽缸直径（mm）
活塞行程（mm）
驱动机型号
空气
255
820/500
240
TK550-12/1430
表3-2TK550-12/1430驱动机性能特点
功率
电流
额定电压
励磁电压
励磁电流
接线法
转速
550KW
639A
6KV
68V
79A
Y/△
500r/min
频率
相数
转动惯量
功率因数
外形尺寸（mm）
50Hz
三相
250kg/m^2
0.9
850*1970*1785
3.4控制参数和保护
该系统可对六台压风机组进行集中监控，具有手动，自动两种方式：
手动方式下对运行情况进行监测和报警，自动方式下可实现包括自动起停的所有监控操作。
系统监测参数有：
Ⅰ级排气压力、Ⅱ级排气压力、Ⅰ级排气温度、Ⅱ级排气温度、冷却水压力、冷却水温度、润滑油压力、润滑油温度、风包温度、定子电流、定子电压、转子电流、转子电压、励磁电流、励磁电压。
表3-3系统参数保护
序号
名称
单位
范围
1
润滑油压力
MPa
小于0.15停机
2
润滑油温度
°
C
大于60停机
3
Ⅰ级汽缸压力
大于0.24报警
4
Ⅱ级汽缸压力
大于160停机
5
Ⅰ级汽缸温度
6
Ⅱ级汽缸温度
Mpa
大于0.75报警
7
定子电流
A
8
定子电压
V
大于额定值的120%停机
9
冷却水压力
小于0.05大于0.1停机
10
冷却水温度
大于40停机
11
风包温度
大于20停机
12
转子电流
13
转子电压
14
15
4硬件设计
4.1上位机的选择
（一）组成：
上位工控机系统由工业控制计算机、后备电源（UPS）、打印机等组成；
其主要完成压风机远程参数的监控、运行参数设置及其数据处理、查询等功能。
（二）选择：
考虑的系统的计算精度和时实性要求较高及组态画面的分辨率我们选用奔腾四、64位机。
（三）功能：
整个系统要完成各种模拟量过程信号的采集及处理、过程参数的设定与监视、过程控制、设备的连锁控制、报警监视、实时及历史趋势的监视与分析，并与过程计算机进行实时数据通信；
提供动态工艺流程图和操作画面、控制回路显示画面、报警画面、生产过程变量和事件记录并打印；
操作人员通过鼠标或键盘调出生产过程中的各个控制回路的画面并对设定参数进行修改，对工艺过程进行控制实现人机对话。
第一方面是管理功能：
生成系统工艺流程，提供清晰、人性化的人机界面，生动形象地反映工艺流程的实时数据；
完成报警、历史数据、历史曲线的存储、显示和查询；
打印各类生产管理运行报表。
第二方面是设备的监控功能：
以图形和菜单的形式，操作人员在中控室监视各个设备的运行状态，并对部分设备进行控制。
第三方面是通信的功能：
上位机通过工业以太网．采用规定的通信协议．完成与各个现场控制站的通信；
实现生产数据的共享；
通信系统配置工业以太网模块，能够顺利平滑的接入工业环网。
4.2下位机的选择
PLC下位机系统：
现场PLC控制系统选用西门子S7-200系列可编程序控制器作为监控核心。
S7-200的可靠性高，可用梯形图、语句表、功能块三种语句来编程。
它的指令丰富，指令功能强，易于掌握、操作方便。
内置有高速计数器、高速输出、PID控制器、RS-485通信/编程接口、PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信功能，I/O端子可以很容易的拆卸。
最大可扩展到248点数字量I/O或35路模拟量I/O，最多有26KB程序和数据存储空间。
该系统是紧凑型可编程序控制器，系统的硬件构架由成系统的CPU模块和丰富的扩展模块组成。
4.2.1S7—200CPU的选择
表4-1S7—200CPU种类
特性
CPU221
CPU222
CPU224
CPU226
CPU226XM
外行尺寸/
（mm*mm*mm）
90*80*62
120.5*80*62
190*80*62
程序存储区/字节
4096
8192
16384
数据存储区/字节
2048
5120
10240
掉电保持时间/h
50
190
本机I/O
6入/4出
8入/6出
14入/10出
24入/16出
24入/14出
扩展模块数量
脉冲输出（DC）/khz
20（2路）
模拟电位器
实时时钟
配时钟卡
内置
通讯口
1RS-485
2RS-485
浮点数运算
有
I/O映象区
256（128入/128出）
资料来源:
李明河、金林.可编程控制器原理与应用[M].合肥工业大学出版社2009.1
由于本系统要求
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