煤礦地面主要通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究

張晉　趙旭東　黃瀚增

摘 要：針對(duì)煤礦地面主要通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)存在的智能化水平低、可維護(hù)性差、故障率高的問題，對(duì)原通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以S7 1214 CPU模塊為核心控制器，對(duì)1#—4#通風(fēng)機(jī)進(jìn)行“一拖一”變頻控制，并將所有運(yùn)行數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)通信傳送至觸摸屏及上位機(jī)。上位機(jī)采用工業(yè)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控及運(yùn)行數(shù)據(jù)在線監(jiān)測。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，優(yōu)化后的通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)提升了通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的智能化水平，提高了系統(tǒng)的維護(hù)性，降低了故障發(fā)生率，保證了通風(fēng)機(jī)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程監(jiān)控;變頻控制;通風(fēng)機(jī)

中圖分類號(hào)：TD724 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）29-0075-03

Research on Remote Monitoring System of Main Fans on the

Ground of Coal Mine

ZHANG Jin ZHAO Xudong HUANG Hanzeng

（1.Jinjie Coal Mine of Shendong Coal Group， Yulin Shaanxi 719319;2.Shandong Ding'an Testing Co.， Ltd.， Jinan Shandong 250000）

Abstract： Aiming at the problems of low level of intelligence， poor maintainability， and high failure rate in the remote monitoring system of the main ventilator on the coal mine ground， the original remote monitoring system of the ventilator is optimized. With S7 1214 CPU module as the core controller， the fan 1#—4# is used for "one-to-one" frequency conversion control， and all operating data is transmitted to the touch screen and upper computer through Ethernet communication. The upper computer is realized by an industrial computer， which can realize remote real-time monitoring of the ventilator and online monitoring of operating data. The actual application results show that the optimized remote monitoring system of the ventilator improves the intelligent level of the ventilator control system， improves the maintainability of the system， reduces the failure rate， and ensures the safe， stable and efficient operation of the ventilator.

Keywords： remote monitoring;frequency conversion control;ventilator

礦井通風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)著輸送新鮮空氣、排除粉塵、稀釋有毒有害氣體的重任，是保證煤礦安全生產(chǎn)的重要手段之一。礦用通風(fēng)系統(tǒng)一旦出現(xiàn)問題，將引發(fā)瓦斯爆炸等重特大安全事故，造成生命、財(cái)產(chǎn)損失[1]。因此，研究高效、穩(wěn)定、安全的煤礦通風(fēng)系統(tǒng)成為保障煤礦安全生產(chǎn)的前提。為確保礦井通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)良好，通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控成為一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)研究方向。馮波通過對(duì)礦井內(nèi)瓦斯?jié)舛?、粉塵濃度、CO等有毒有害氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測，對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)速，降低風(fēng)機(jī)電能損耗[2]。程國志研制了同時(shí)監(jiān)測通風(fēng)機(jī)風(fēng)速、風(fēng)機(jī)風(fēng)壓及溫度等多參數(shù)智能通風(fēng)機(jī)監(jiān)測儀，以實(shí)時(shí)、精確掌握礦井內(nèi)瓦斯、粉塵濃度，為調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)速提供理論依據(jù)[3]。申瑞杰等研制了礦井通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測與通信系統(tǒng)，將監(jiān)測參數(shù)擴(kuò)充至風(fēng)速、風(fēng)壓、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及風(fēng)機(jī)溫度等，并且可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析[4]。礦井通風(fēng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在保障工人生命安全和財(cái)產(chǎn)安全的同時(shí)，能降低通風(fēng)故障發(fā)生率，延長通風(fēng)機(jī)使用壽命，減少礦井事故發(fā)生率等。筆者以S7 1214 CPU、工業(yè)計(jì)算機(jī)為核心，優(yōu)化通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，提升通風(fēng)機(jī)的智能化水平和運(yùn)行效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煤礦地面主要通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示，主控制器為西門子S7 1214 CPU模塊，以變頻模式控制1#—4#通風(fēng)機(jī)，并以TCP/IP通信模式將所有通風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳至觸摸屏及上位機(jī)。S7 1214 CPU模塊周期性采集通風(fēng)機(jī)的風(fēng)門過力矩信號(hào)、風(fēng)門到位信號(hào)、合閘反饋信號(hào)，并綜合分析控制室發(fā)送的遠(yuǎn)程控制信號(hào)、指示信號(hào)后，控制1#—4#通風(fēng)機(jī)的合閘/跳閘、風(fēng)門打開/關(guān)閉，同時(shí)在觸摸屏、上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)置參數(shù)及故障報(bào)警信息等。S7 1214 CPU模塊以“一拖一”模式對(duì)1#—4#通風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻控制，根據(jù)礦井內(nèi)瓦斯?jié)舛取⒎蹓m濃度值動(dòng)態(tài)調(diào)整風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，在保證礦井安全生產(chǎn)的前提下自適應(yīng)調(diào)整通風(fēng)機(jī)運(yùn)行速度，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。在該系統(tǒng)中，S7 1214 CPU模塊與觸摸屏、上位機(jī)采用TCP/IP通信模式，控制器擴(kuò)展以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)[5-6];S7 1214 CPU模塊與變頻器采用CAN總線通信模式，控制器擴(kuò)展CAN總線通信接口實(shí)現(xiàn)。

2 硬件設(shè)計(jì)

煤礦地面主要通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)即根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，對(duì)CPU模塊、傳感器等硬件進(jìn)行選型及電氣系統(tǒng)接線設(shè)計(jì)。溫度傳感器選用的型號(hào)為WZP-270，測量范圍為-200～420 ℃，輸出信號(hào)為直流電壓0～5 V，響應(yīng)時(shí)間小于15 s。在1#—4#通風(fēng)機(jī)的每相繞組內(nèi)預(yù)埋一個(gè)溫度傳感器，在通風(fēng)電機(jī)前后軸承蓋軸向位置各預(yù)埋一個(gè)溫度傳感器，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測通風(fēng)機(jī)繞組溫度、軸承溫度的目的。采用局部環(huán)節(jié)壓差方法對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)壓進(jìn)行檢測，風(fēng)壓傳感器由引壓裝置、濾配裝置、壓差變送器以及輸出裝置等組成。引壓裝置具有均勻引壓、穩(wěn)定風(fēng)量的作用;濾配裝置可將風(fēng)流中的粉塵、波動(dòng)因素等濾除，具有除濕、穩(wěn)壓的作用;壓差變送器選用的型號(hào)為SMP2088，可檢測-5～10 kPa風(fēng)壓，供電電源為24 V直流電壓;輸出為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流信號(hào)，或者0～5 V 直流電壓信號(hào)，響應(yīng)時(shí)間小于100 ns。通風(fēng)機(jī)運(yùn)行中，如果振動(dòng)幅度較大，將會(huì)導(dǎo)致通風(fēng)機(jī)損害或者停機(jī)，因此，需要安裝振動(dòng)傳感器周期性監(jiān)測振動(dòng)信號(hào)，選用的振動(dòng)傳感器型號(hào)為YY950，可分別測量通風(fēng)機(jī)[X]軸、[Y]軸的振動(dòng)值，靈敏度為19.7 mV/（mm·s），并要保證通風(fēng)機(jī)振動(dòng)幅值不大于7 mm[7-8]。上位機(jī)選用工業(yè)計(jì)算機(jī)，24英寸（60.96 cm）LED顯示屏，抗干擾、過壓、過流能力強(qiáng)，內(nèi)嵌Windows 10操作系統(tǒng)并支持TCP/IP、CAN總線通信，同時(shí)配置一臺(tái)三特2 kVA UPS不間斷電源。核心控制器選用西門子S7 1214 CPU模塊，指令響應(yīng)時(shí)間短，數(shù)據(jù)處理速度快，支持TCP/IP、CAN總線通信，主頻可達(dá)1.6 GHz，滿足煤礦通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)要求。根據(jù)煤礦通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)要求，S7 1214 CPU模塊的輸入、輸出地址分配見表1。

3 軟件設(shè)計(jì)

煤礦地面主要通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基于組態(tài)王平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)主通風(fēng)機(jī)監(jiān)測畫面、故障診斷畫面、數(shù)據(jù)曲線畫面、歷史報(bào)警信息畫面、管理幫助畫面。S7 1214 CPU模塊將1#—4#通風(fēng)機(jī)所有運(yùn)行數(shù)據(jù)以TCP/IP通信模式發(fā)送給工業(yè)計(jì)算機(jī)并在該平臺(tái)顯示。例如：基于該監(jiān)控平臺(tái)可選擇通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行模式，具備手動(dòng)、自動(dòng)、檢修3種運(yùn)行模式;可單獨(dú)設(shè)置通風(fēng)機(jī)參數(shù)以及通風(fēng)機(jī)啟?？刂?可隨時(shí)調(diào)用、查看通風(fēng)機(jī)溫度、風(fēng)壓、風(fēng)量運(yùn)行數(shù)據(jù)曲線及通風(fēng)機(jī)報(bào)警信息。煤礦地面主要通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件模塊劃分如圖2所示。

煤礦地面主要通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可展示通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，保留電壓、電流、運(yùn)行時(shí)間及運(yùn)行次數(shù)等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù);點(diǎn)擊左側(cè)相應(yīng)的按鈕后，可查看用戶狀態(tài)、數(shù)據(jù)監(jiān)控、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢、曲線查詢、故障報(bào)警及參數(shù)設(shè)置等信息。

4 結(jié)論

①以煤礦地面主要通風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，基于西門子S7 1214 CPU模塊，對(duì)通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以“一拖一”模式對(duì)1#—4#通風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻控制，以TCP/IP通信模式將所有運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳至工業(yè)計(jì)算機(jī)，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)時(shí)監(jiān)測的目的。

②設(shè)計(jì)煤礦地面主要通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，通過該監(jiān)控平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程控制、數(shù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢、參數(shù)設(shè)置及故障報(bào)警等功能。

③應(yīng)用結(jié)果表明，優(yōu)化后的通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能夠保障通風(fēng)機(jī)高效、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

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