礦井主扇風(fēng)機(jī)控制與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

堅(jiān)德毅

（1.天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水741020；2.大型電氣傳動(dòng)系統(tǒng)與裝備技術(shù) 國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅天水741020）

1 引言

主扇風(fēng)機(jī)是煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于向井下輸送新鮮空氣、排除瓦斯、降低井下溫度和濕度，其特點(diǎn)是風(fēng)機(jī)功率大、必須常年不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)，耗能高、運(yùn)行環(huán)境惡劣等。煤礦井下空氣中含有瓦斯等可燃易爆氣體，主扇風(fēng)機(jī)可靠、平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)是整個(gè)煤礦安全生產(chǎn)中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，與全礦井下工作人員的生命安危直接相關(guān)。

目前國內(nèi)礦井主扇風(fēng)機(jī)多采用軸流式對(duì)旋風(fēng)機(jī)，傳統(tǒng)配電系統(tǒng)的主扇風(fēng)機(jī)長期工作在全功率負(fù)荷，風(fēng)量、風(fēng)壓的調(diào)節(jié)通過風(fēng)門角度或風(fēng)葉角度來控制，浪費(fèi)大量電能，部分煤礦風(fēng)機(jī)監(jiān)控、管理還停在手工記錄方式，實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性難以保證，設(shè)備運(yùn)行狀況得不到現(xiàn)代化的數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析，頻發(fā)“突然”故障停機(jī)現(xiàn)象，延誤井下通風(fēng)。應(yīng)用PLC及中壓變頻器的風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制及在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有運(yùn)行平穩(wěn)、倒機(jī)快捷、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析透明，對(duì)故障預(yù)測(cè)、判斷準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，其市場前景廣闊。

2 系統(tǒng)功能及實(shí)施方法

主扇風(fēng)機(jī)的控制、監(jiān)測(cè)對(duì)象是風(fēng)機(jī)電控設(shè)備、機(jī)械設(shè)備及風(fēng)道系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)。為保證不間斷送風(fēng)，大部分礦山通常采用由兩條風(fēng)道、兩套對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)組成的雙機(jī)組互備系統(tǒng)。本文重點(diǎn)介紹自動(dòng)控制技術(shù)的理論與實(shí)踐方面的問題，研究兩套主扇風(fēng)機(jī)的自動(dòng)切換控制、反風(fēng)控制及檢測(cè)數(shù)據(jù)處理、分析、顯示等工作。數(shù)據(jù)傳輸模式兼容滿足國際標(biāo)準(zhǔn)的多種數(shù)據(jù)交換形式，F(xiàn)TP、局域網(wǎng)IE數(shù)據(jù)服務(wù)與廣域網(wǎng)IE數(shù)據(jù)服務(wù)功能，可與全礦井自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)靈活便捷的數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)，將風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)傳輸?shù)娇傉{(diào)度室，實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、信號(hào)分析于一體的設(shè)備綜合管理。

2.1 主扇風(fēng)機(jī)系統(tǒng)組成

主扇風(fēng)機(jī)由4部分組成：①變頻器、PLC控制器、傳感器等硬件部分；②信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換部分；③數(shù)據(jù)處理、分析部分；④報(bào)表、顯示輸出部分。主要控制內(nèi)容：變頻器正常啟停、一鍵機(jī)組切換、反風(fēng)控制、風(fēng)門開關(guān)及角度控制，如圖1所示。主要監(jiān)控參數(shù)：①風(fēng)機(jī)性能參數(shù)，風(fēng)量、負(fù)壓、靜壓、動(dòng)壓、全壓、風(fēng)速、風(fēng)道進(jìn)出風(fēng)口溫度等；②電動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)，電流、電壓、功率、轉(zhuǎn)速、軸承溫度、繞組溫度、正反轉(zhuǎn)、風(fēng)機(jī)振動(dòng)等。③變頻器參數(shù)，變壓器溫度、電壓、電流、頻率、狀態(tài)、報(bào)警、故障等，如圖2所示。

圖1 主扇風(fēng)機(jī)電控主回路

圖2 主扇風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖

2.2 控制方式

（1）由上位機(jī)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，PLC控制系統(tǒng)發(fā)出指令打開風(fēng)門、同時(shí)啟動(dòng)兩臺(tái)變頻器，變頻器帶動(dòng)電機(jī)開始工作，加速到工藝要求運(yùn)行頻率。

變頻器采用V/F控制，PLC調(diào)用FB41連續(xù)的模擬量PID控制功能塊，做基于風(fēng)速、風(fēng)壓傳感器的恒風(fēng)量控制，根據(jù)采集的實(shí)際數(shù)據(jù)IRF及輸入的數(shù)據(jù)VRF1進(jìn)行比較處理后，PLC輸出4mA－20mA給定值同時(shí)給兩臺(tái)變頻器，使風(fēng)機(jī)的輸出風(fēng)量達(dá)到規(guī)定的值，如圖3所示。

圖3 變頻器恒風(fēng)量PID調(diào)節(jié)

因?yàn)轱L(fēng)機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能要求不高，PID調(diào)節(jié)的采樣周期沒有必要太小，采用OB35即節(jié)省資源，而且不會(huì)因修改程序改變采樣周期。OB35是組織塊，優(yōu)先級(jí)高于OB1，變采樣周期默認(rèn)100ms。

FB41編程方法如下。

圖4 連續(xù)的模擬量PID調(diào)節(jié)功能塊

圖5 主要調(diào)節(jié)參數(shù)

在PID中不同的物理量，它們的量綱單位均不同，所以要進(jìn)行規(guī)格化工作。PID參數(shù)中重要的幾個(gè)變量，給定值（如圖5所示），反饋值和輸出值都是用0.0－1.0之間的實(shí)數(shù)表示，而這幾個(gè)變量在實(shí)際中都是來自與模擬輸入，或者輸出控制模擬量的因此，需要將模擬輸入轉(zhuǎn)換為0.0－1.0的數(shù)據(jù)，或?qū)?0.0－1.0 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬輸出，這個(gè)過程稱為規(guī)格化。

規(guī)格化的方法：（即變量相對(duì)所占整個(gè)值域范圍內(nèi)的百分比對(duì)應(yīng)與27648數(shù)字量范圍內(nèi)的量）

對(duì)于輸入和反饋，執(zhí)行：變量×100/27648，然后將結(jié)果傳送到PV－IN和SP－INT

對(duì)于輸出變量，執(zhí)行：LMN×27648/100，然后將結(jié)果取整傳送給PQW即可；

（2）風(fēng)機(jī)切換過程：分為正常切換和故障切換，正常切換時(shí)，人為選擇風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)切換；故障時(shí)為系統(tǒng)自動(dòng)切換。

（3）反風(fēng)過程：降低正在使用風(fēng)機(jī)的輸出頻率，使之按照設(shè)定曲線盡快降速至停止。選擇變頻器反轉(zhuǎn)運(yùn)行，并啟動(dòng)變頻器帶風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)運(yùn)行。

全自動(dòng)控制模式下，以上過程完全由上位機(jī)和PLC來完成，根據(jù)負(fù)載特性設(shè)置好斜坡函數(shù)發(fā)生器以防止直流母線電壓超限，編寫控制工藝流程，優(yōu)化調(diào)試完成后，自動(dòng)模式更節(jié)省切換時(shí)間。

圖6 自動(dòng)倒機(jī)時(shí)序

2.2 數(shù)據(jù)采集處理

（1）電參數(shù)

傳送的電參數(shù)有電動(dòng)機(jī)的電流、電壓、功率、功率因數(shù)等。選用精度高、可靠性好的電量采集模塊將來自電壓、電流互感器二次側(cè)的電壓、電流轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)接入S7－300。

（2）振動(dòng)信號(hào)

通風(fēng)機(jī)被安裝后，“通風(fēng)機(jī)－支承系統(tǒng)”的基本固有頻率高于通風(fēng)機(jī)的工作主頻率，稱為剛性支承。“通風(fēng)機(jī)－支撐系統(tǒng)”的基本固有頻率低于通風(fēng)機(jī)的工作主頻率，稱為撓性支撐。在各個(gè)測(cè)量方向和測(cè)量點(diǎn)上，測(cè)得的振動(dòng)速度方均根不應(yīng)超出：

對(duì)于周期振動(dòng)，是指在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)、振動(dòng)速度瞬時(shí)值平方后平均值的平方根，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式（1）中：

Vmms為振動(dòng)速度方均根值（有效值〉，單位為毫米每秒（mm/s）；T 為振動(dòng)周期，單位為秒（s）；v（t）為隨時(shí)間t變化的振動(dòng)速度函數(shù)，單位為毫米每秒（mm/s）；t為時(shí)間自變量，單位為秒（s）。

系統(tǒng)要求測(cè)量4臺(tái)風(fēng)機(jī)的水平與垂直振動(dòng)烈度，采用速度傳感器類型，頻響特性10Hz－1000Hz，可測(cè)量軸承座的絕對(duì)振動(dòng)，靈敏度高、輸出信號(hào)大、輸出阻抗低、電氣性能穩(wěn)定、不受外部噪聲干擾。輸出電流信號(hào)，接入PLC系統(tǒng)，經(jīng)過式（1）換算后，當(dāng)風(fēng)機(jī)主軸承振動(dòng)大于2.6 mm/s時(shí)報(bào)警，大于4.3mm/s時(shí)跳閘停機(jī)切換機(jī)組。

（3）軸溫測(cè)量

連續(xù)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)工作時(shí)的軸承溫度和電動(dòng)機(jī)的軸承溫度，也是風(fēng)機(jī)需要監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)重要任務(wù)。電動(dòng)機(jī)軸承溫度和風(fēng)機(jī)軸承溫度的傳感元件為在電動(dòng)機(jī)出廠時(shí)預(yù)埋的PT100鉑熱電阻，并以三線制的方式引出至風(fēng)機(jī)電機(jī)接線盒。PLC控制系統(tǒng)配置具備RS485通訊功能的32路溫度巡檢儀表，溫度數(shù)據(jù)以通訊方式傳輸?shù)絇LC系統(tǒng)，節(jié)省成本。

（4）負(fù)壓和風(fēng)量

依據(jù)MT 421－1996《煤礦用主要通風(fēng)機(jī)現(xiàn)場性能參數(shù)測(cè)定方法》，布置P1測(cè)點(diǎn)在一級(jí)風(fēng)機(jī)環(huán)形斷面，水平、垂直的兩條直徑與硐壁和芯筒外緣的交點(diǎn)處，布置P2測(cè)點(diǎn)在連接風(fēng)筒圓形斷面，水平、垂直的兩條直徑與硐壁的交點(diǎn)處。

負(fù)壓由風(fēng)壓傳感器直接測(cè)得，風(fēng)量由負(fù)壓計(jì)算得到：

式（2）中：s1、s2為風(fēng)機(jī)機(jī)體的兩處截面積；為截面處的負(fù)壓；ρ為空氣密度。

3 數(shù)據(jù)處理、分析

數(shù)據(jù)處理、分析系統(tǒng)以PLC為核心，配置各種外圍設(shè)備，在軟件中應(yīng)用相應(yīng)算法，完成數(shù)據(jù)的采集、分析等工作，以圖表等多種形式顯示在上位機(jī)上，并傳輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)。

本系統(tǒng)采用WinCC7.3及SQL Server平臺(tái)的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。SQL Server是數(shù)據(jù)庫軟件，功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟。用VC＋＋開發(fā)的程序體積小效率高，且程序開發(fā)過程靈活。SQL Server數(shù)據(jù)庫具有速度快、可用性高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，因此，是風(fēng)機(jī)監(jiān)控軟件理想的數(shù)據(jù)庫平臺(tái)。監(jiān)控軟件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與處理的硬件系統(tǒng)通過Profibus－DP現(xiàn)場總線連接，儀表、傳感器等測(cè)量數(shù)據(jù)通過RS485、工業(yè)以太網(wǎng)采集系統(tǒng)上傳到監(jiān)控軟件，控制命令從監(jiān)控軟件下發(fā)到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

振動(dòng)檢測(cè)內(nèi)容包括檢測(cè)水平、垂直、軸向方向數(shù)據(jù)信息，譜圖類型有波形圖、速度頻譜圖、加速度頻譜圖等；查找具有代表性的振動(dòng)信息特征是指剔除沖擊信號(hào)以后尋找具有一定規(guī)律性的譜線族（如削波、軌跡尖角、某一倍頻振值升高等）；

判斷振動(dòng)值是否異常是指將波形或頻譜圖所反映的較大振值與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較并得出評(píng)判結(jié)果；分析故障機(jī)理主要是根據(jù)波形或振動(dòng)值超標(biāo)時(shí)所在頻率段綜合分析，判斷出故障發(fā)生的原因。在該過程中信號(hào)測(cè)試是基礎(chǔ)，查找具有代表性的振動(dòng)信息特征是核心，分析故障機(jī)理是關(guān)鍵。

參考風(fēng)機(jī)振動(dòng)頻譜特征圖（如圖7所示）、表1等資料，結(jié)合實(shí)際風(fēng)機(jī)參數(shù)，即可把這些特征數(shù)據(jù)和在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)合起來，利用PLC做算法比較，對(duì)振動(dòng)故障做出預(yù)警分析。

圖7 振動(dòng)診斷基本原則

表1 振動(dòng)故障特征頻率

4 結(jié)束語

礦井主扇風(fēng)機(jī)控制與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以中壓變頻器及PLC控制為核心，配以各種外圍設(shè)備組成，在軟件的控制下，完成數(shù)據(jù)的采集、分析等工作，以圖表等多種形式顯示在顯示器上，并傳輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)。PLC系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)采集和風(fēng)機(jī)、風(fēng)門的啟停控制?；赩C＋＋和SQL Server的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)保證了風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。該系統(tǒng)對(duì)提高煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的信息化、智能化水平有一定的促進(jìn)作用。