礦井通風(fēng)安全自動監(jiān)測報警系統(tǒng)的設(shè)計

朱建峰， 孫 鑫

（山西寧武大運華盛能源集團有限公司， 山西 寧武 036700）

引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)作為綜采工作面的呼吸系統(tǒng)，其主要任務(wù)是為工作面輸送干凈的空氣，降低工作面的瓦斯、粉塵等濃度，為作業(yè)人員提供健康、相對安全的生產(chǎn)環(huán)境[1]，因此，礦井通風(fēng)系統(tǒng)對煤礦安全生產(chǎn)十分重要。為進一步提升礦井通風(fēng)系統(tǒng)的自動化、智能化水平，要求系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對工作面瓦斯、粉塵等濃度的自動監(jiān)測，并對監(jiān)測結(jié)果進行處理分析，從而實現(xiàn)對通風(fēng)機的實時精確控制。本文將著重對礦井通風(fēng)安全自動監(jiān)測報警系統(tǒng)進行設(shè)計，為礦井通風(fēng)安全奠定基礎(chǔ)。

1 通風(fēng)自動監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析

礦井通風(fēng)安全自動監(jiān)測報警系統(tǒng)包括有硬件控制系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)。其中，硬件控制系統(tǒng)主要是采集工作面各類信息的設(shè)備、處理所采集信息的設(shè)備、工控機以及報警器等；軟件控制系統(tǒng)為基于通風(fēng)自動監(jiān)測功能所編制的控制程序[2]。

1.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)礦井通風(fēng)安全自動監(jiān)測報警系統(tǒng)的控制要求，特設(shè)計如圖1所示的自動監(jiān)測報警系統(tǒng)。

如圖1所示，礦井通風(fēng)安全自動監(jiān)測報警系統(tǒng)主要包括有通風(fēng)機、傳感器、變頻器、PLC控制器以及上位機等[3]。為確保監(jiān)控系統(tǒng)能夠為通風(fēng)機的控制提供基礎(chǔ)，要求監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分滿足以下要求：

1）風(fēng)壓、風(fēng)量是該系統(tǒng)主要監(jiān)控的兩項指標，要求系統(tǒng)所選的風(fēng)壓傳感器和風(fēng)量傳感器能夠能夠?qū)ぷ髅娴娘L(fēng)壓和風(fēng)量進行全天候24 h的監(jiān)測。當(dāng)所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)超出限值時，要求系統(tǒng)立即報警。

圖1 自動監(jiān)測報警系統(tǒng)硬件組成

2）要求所選各類傳感器、變送器等設(shè)備能夠滿足惡劣的工作面環(huán)境，具有較強的可靠性和穩(wěn)定性。

3）要求系統(tǒng)能夠?qū)νL(fēng)機前后軸承的振動情況進行監(jiān)測。

4）工作面各類傳感器所采集的數(shù)據(jù)能夠精確地經(jīng)PLC控制器上傳至工控機中，要求系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行顯示、記錄以及打印等。

1.2 軟件控制系統(tǒng)

軟件控制系統(tǒng)主要通過程序?qū)崿F(xiàn)自動監(jiān)控系統(tǒng)的各項功能。根據(jù)礦井通風(fēng)安全自動監(jiān)測報警系統(tǒng)的控制需求，要求其軟件控制系統(tǒng)滿足以下功能：數(shù)據(jù)通訊功能；將所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)圖形化的功能；對所采集到的數(shù)據(jù)可進行查詢、存儲功能；能夠顯示通風(fēng)機的工況點，并可對事故進行預(yù)警和追憶；能夠?qū)⑺璐蛴〉臄?shù)據(jù)進行打印。

2 通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)硬件的設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要指的是PLC的輸入輸入量的設(shè)置。本監(jiān)控系統(tǒng)采用的PLC的型號為S7-300，其硬件結(jié)構(gòu)圖如下頁圖2所示。

如圖2中的接口模塊用于實現(xiàn)PLC與觸摸屏之間的連接。在本監(jiān)控系統(tǒng)中，所選用的觸摸屏為M370觸摸屏，并可以實現(xiàn)其與PLC的多點連接，最終實現(xiàn)了完美通信。數(shù)字量的輸入、輸出模塊主要用于檢測開關(guān)量的動作情況；模擬輸入模塊主要功能是實現(xiàn)對風(fēng)量、風(fēng)速以及溫度等參數(shù)模擬量到數(shù)字化的轉(zhuǎn)換；通信模塊是實現(xiàn)下位機與上位機通信的關(guān)鍵模塊；綜保裝置的主要功能是實現(xiàn)對系統(tǒng)中電動機的保護，并對相關(guān)電氣參數(shù)的遠程監(jiān)測，通常情況下綜保裝置安裝于控制室[4]。

圖2 PLC硬件結(jié)構(gòu)圖

針對礦井通風(fēng)自動監(jiān)測報警系統(tǒng)的控制要求，傳感器作為提供該系統(tǒng)控制的基礎(chǔ)。因此，傳感器的選型尤為重要。經(jīng)調(diào)研，該監(jiān)控系統(tǒng)所選傳感器的型號及功能如表1所示。

表1 監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵傳感器

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計

在各版本組態(tài)軟件對比的基礎(chǔ)上，本監(jiān)控系統(tǒng)選用組態(tài)軟件INTouch9.5實現(xiàn)對監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計。基于監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計操作人員可以形象地在人機界面獲取被監(jiān)測對象的工作狀態(tài)，并將指令通過人機界面發(fā)送至PLC中。

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)界面的設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控界面可以形象、直觀、方便地實現(xiàn)對主通風(fēng)機的實時運行狀態(tài)和下一步動作進行監(jiān)測和控制。因此，系統(tǒng)的監(jiān)控界面包含有系統(tǒng)的主界面、主通風(fēng)機的運行狀態(tài)、登錄界面以及電動機的實時運行狀態(tài)等。其中，監(jiān)控系統(tǒng)的主界面如圖3所示。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理的設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理主要指的是主通風(fēng)機實時運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)，將這些所采集到數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后上傳于主機中，方便工作人員對以往設(shè)備的運行狀態(tài)進行查詢和統(tǒng)計[5]。本監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換主要是通過常用的動態(tài)數(shù)據(jù)交換協(xié)議實現(xiàn)其功能的。本監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

3.3 數(shù)據(jù)報表的設(shè)計

數(shù)據(jù)報表是為工作人員查詢以往設(shè)備工作狀態(tài)而來的。在本監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)報表主要包括有實時設(shè)備運行狀態(tài)報表、設(shè)備運行歷史狀態(tài)報表以及報警記錄報表。比如，當(dāng)所監(jiān)測的值超過系統(tǒng)設(shè)定值時，監(jiān)控系統(tǒng)會立即發(fā)出報警并記錄報警數(shù)據(jù)。從而，工作人員可以隨時隨地對發(fā)出報警的數(shù)據(jù)進行查詢，以便更氣清晰、準確地對通風(fēng)系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行分析。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)主界面圖

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語

礦井通風(fēng)系統(tǒng)作為綜采工作面呼吸系統(tǒng)，其主要任務(wù)是為工作面提供新鮮的空氣，為作業(yè)人員提供安全、健康的生產(chǎn)環(huán)境。瓦斯、粉塵作為威脅工作面安全生產(chǎn)的主要因素，基于通風(fēng)系統(tǒng)能夠?qū)⑼咚辜胺蹓m濃度得到有效改善。為實現(xiàn)對煤礦綜采工作面通風(fēng)情況的實時監(jiān)測，進而對通風(fēng)機運行狀態(tài)的實時控制，本文基于PLC設(shè)計了一款礦井通風(fēng)安全自動監(jiān)測報警系統(tǒng)，為綜采工作面的安全、高效生產(chǎn)提供了支撐。