礦井主通風(fēng)機實時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

高盼峰

（西山煤電官地礦機電科機維隊，太原 030022）

0 引言

礦井通風(fēng)機是煤礦安全生產(chǎn)過程中重要的通風(fēng)設(shè)備，具有不可或缺的作用。通風(fēng)機一般有兩種，一種為對旋軸流式通風(fēng)機，另一種為實離心式通風(fēng)機，在煤礦實際生產(chǎn)過程中，對旋式通風(fēng)機應(yīng)用較為廣泛[1-2]。煤礦主通風(fēng)機的作用是將礦井的粉塵、瓦斯等有害、有毒氣體及時排出，并輸送新鮮空氣來保障礦井安全，其安全可靠的運行直接關(guān)系到煤礦的生產(chǎn)效益。然而，由于通風(fēng)機長期處于復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境，出現(xiàn)故障的概率較大，當(dāng)出現(xiàn)故障時，無法實現(xiàn)對故障的及時排查和精確定位，這對通風(fēng)機系統(tǒng)的使用壽命以及煤礦的安全生產(chǎn)都有很大影響；同時，傳統(tǒng)的通風(fēng)機長期工作在全功率控制方式下，耗能大[3]。為了提高通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，減少耗能，本文設(shè)計了一套礦井通風(fēng)機遠程監(jiān)控系統(tǒng)，工作人員可在監(jiān)控室中對通風(fēng)機進行狀態(tài)監(jiān)測與控制。

1 煤礦主通風(fēng)機實時監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

煤礦主通風(fēng)機實時監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案如圖1所示。整個系統(tǒng)由遠程監(jiān)控計算機、傳感器檢測單元、PLC控制單元、聲光報警裝置、主通風(fēng)機運行系統(tǒng)等組成。其中，傳感器檢測單元由各類礦用檢測傳感器組成，主要負責(zé)檢測通風(fēng)機風(fēng)壓風(fēng)量參數(shù)、電參數(shù)、軸承振動參數(shù)、礦井大氣環(huán)境參數(shù)等；PLC控制單元主要負責(zé)接收傳感器的檢測信息，對其進行處理進而上傳給上位機，同時將上位機的控制指令向下傳達，對風(fēng)機運行狀態(tài)進行控制，起著承上啟下的作用；聲光報警裝置主要用于在監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測到故障情況時實現(xiàn)預(yù)警功能，提示現(xiàn)場工作人員；主通風(fēng)機運行系統(tǒng)由對旋式通風(fēng)機、變頻調(diào)速系統(tǒng)以及相關(guān)機電設(shè)備組成，主通風(fēng)機采用變頻調(diào)速控制方式，通過傳感器檢測信息，可針對性地改變風(fēng)機的工作狀態(tài)，系統(tǒng)可以根據(jù)井下風(fēng)量的要求，通過調(diào)節(jié)變頻器的轉(zhuǎn)速達到調(diào)節(jié)風(fēng)速的目的；上位機監(jiān)控系統(tǒng)配有組態(tài)軟件來完成現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的實時顯示、存儲、打印、報警功能，對礦井通風(fēng)機進行遠程監(jiān)控。

圖1 煤礦主通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)整體方案設(shè)計

2 硬件方案設(shè)計與選型

2.1 PLC控制單元選型

為適應(yīng)煤礦復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境，同時將系統(tǒng)所需求的模擬量、數(shù)字量、開關(guān)量實時采集并上傳給上位機，根據(jù)系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能需求，本文選取西門子公司的S7-300 PLC作為主控制器。S7-300 PLC是一類模塊化的控制單元，可由多種模塊以不同的方式組合來實現(xiàn)各種功能，完全滿足通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)的性能要求[4]。PLC中央處理單元選用型號為CPU314，根據(jù)井下采集量的實際需求，對數(shù)字量和模擬量的輸入輸出模塊進行擴增，分別增加2個型號為SM321的16入數(shù)字量輸入模塊、1個型號為SM322的32出數(shù)字量輸出模塊、1個型號為SM331的8路模擬量輸入模塊、1個型號為SM331的4路模擬量輸出模塊。

2.2 傳感器采集單元選型

傳感器檢測單元由各類礦用精密傳感器構(gòu)成，負責(zé)實時監(jiān)測通風(fēng)機在工作過程中的各種參數(shù)，包括通風(fēng)機性能參數(shù)以及電機電參數(shù)，為此對部分傳感器進行適當(dāng)選型。

（1）振動傳感器。選用型號為TMS-HZD的振動變送器，可以直接與PLC控制單元連接，垂直或水平地安裝在被測振動點，用以監(jiān)測風(fēng)機振動參數(shù)。

（2）溫度傳感器。選用RWB系列的PT100熱電偶溫度變送器，將其安裝在電機定子和風(fēng)機軸承處，測量精度高，可靠性好。

（3）壓力傳感器。選用型號為JYB-DW-A的微差壓變送器，將其安裝在風(fēng)機入口，可以測得靜壓、全壓、動壓等壓力值信號。

（4）風(fēng)機啟停傳感器。選用型號為SG4KGT9的開停傳感器，該傳感器功耗低、安裝使用方便，可與本文的監(jiān)控系統(tǒng)配套使用，將檢測到的設(shè)備啟停信號轉(zhuǎn)換為各種標(biāo)準(zhǔn)信號傳輸給PLC控制單元[5]。

2.3 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)選型

根據(jù)對通風(fēng)機風(fēng)量、轉(zhuǎn)速、功率三者關(guān)系的研究得出：當(dāng)改變通風(fēng)機轉(zhuǎn)速時，此時通風(fēng)機的輸入功率也發(fā)生了變化，這樣可以實現(xiàn)節(jié)能[6]。想要實現(xiàn)上述目標(biāo)，需要加入變頻調(diào)速系統(tǒng)。變頻調(diào)速系統(tǒng)采用交—直—交變頻方式，由主電路和控制電路組成。根據(jù)實際需求，本文選用了三菱公司生產(chǎn)的FR-E500系列高性能通用型變頻器，該變頻器具備瞬間停電再啟動運行功能，支持15種速度選擇，參數(shù)修改以及對其的監(jiān)控實現(xiàn)都可以直接通過PLC控制單元實現(xiàn)。

3 系統(tǒng)軟件

3.1 下位機監(jiān)控程序

對應(yīng)于S7-300 PLC控制器，系統(tǒng)采用STEP編程軟件，并使用梯形圖語言進行程序編寫[7]。在程序結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用了模塊化的設(shè)計思想，根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能要求，將程序劃分為多個子程序模塊，每個子程序?qū)崿F(xiàn)一個具體的功能，并由主程序采用自上而下的方法在邏輯上進行調(diào)用。子程序模塊主要包括風(fēng)機啟停程序、風(fēng)機變頻倒機程序、超限聲光報警程序、模擬量采集程序等。故障預(yù)警在監(jiān)控系統(tǒng)中扮演很重要的角色，本文將聲光報警程序與模擬量采集程序相結(jié)合，并設(shè)置了超限報警程序，若檢測的各類參數(shù)值超過預(yù)先設(shè)定好的閾值，就會啟動報警程序，用以監(jiān)控通風(fēng)機性能參數(shù)以及環(huán)境參數(shù)的變化，同時進行故障診斷和排除。本系統(tǒng)通風(fēng)機工作狀態(tài)下主程序流程框圖如圖2所示。

圖2 通風(fēng)機工作狀態(tài)下主程序流程框圖

3.2 上位機軟件

為實現(xiàn)對煤礦整個通風(fēng)機系統(tǒng)的監(jiān)控，采用組態(tài)王技術(shù)設(shè)計了上位機監(jiān)控軟件。該監(jiān)控軟件可以直接與PLC控制單元實現(xiàn)遠程對接，各類礦用傳感器采集到通風(fēng)機的性能參數(shù)和電參數(shù)之后，可通過PLC分析處理上傳到監(jiān)控軟件界面，對風(fēng)量、風(fēng)壓、風(fēng)機軸功率、轉(zhuǎn)速、電機溫度、軸承溫度等參數(shù)實現(xiàn)曲線和報表輸出。同時，工作人員在監(jiān)控軟件上可以對通風(fēng)機進行操作控制，包括實現(xiàn)風(fēng)門開關(guān)、風(fēng)機啟停、風(fēng)機正反轉(zhuǎn)以及風(fēng)機的變頻調(diào)速[8]。上位機監(jiān)控軟件設(shè)計界面如圖3所示。

圖3 上位機監(jiān)控軟件設(shè)計界面

4 結(jié)束語

本文基于計算機技術(shù)、PLC控制技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、組態(tài)王技術(shù)、傳感器檢測技術(shù)等，提出了一種新型的通風(fēng)機遠程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實時地對通風(fēng)道的風(fēng)速、風(fēng)量、風(fēng)壓等環(huán)境參數(shù)，通風(fēng)機軸承溫度、電機定子溫度、噪聲、振動等性能參數(shù)實現(xiàn)采集、分析處理、保存、實時顯示，并進行故障預(yù)警，同時系統(tǒng)可以自動調(diào)整風(fēng)機的運行狀態(tài)或者進行故障排除。該系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場測試，達到了預(yù)期目標(biāo)，大大提高了煤礦通風(fēng)機系統(tǒng)的自動化管理水平。