礦井主通風機實時監控系統的設計

高盼峰

（西山煤電官地礦機電科機維隊，太原 030022）

0 引言

礦井通風機是煤礦安全生產過程中重要的通風設備，具有不可或缺的作用。通風機一般有兩種，一種為對旋軸流式通風機，另一種為實離心式通風機，在煤礦實際生產過程中，對旋式通風機應用較為廣泛[1-2]。煤礦主通風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系到煤礦的生產效益。然而，由于通風機長期處于復雜惡劣的工作環境，出現故障的概率較大，當出現故障時，無法實現對故障的及時排查和精確定位，這對通風機系統的使用壽命以及煤礦的安全生產都有很大影響；同時，傳統的通風機長期工作在全功率控制方式下，耗能大[3]。為了提高通風系統的可靠性與穩定性，減少耗能，本文設計了一套礦井通風機遠程監控系統，工作人員可在監控室中對通風機進行狀態監測與控制。

1 煤礦主通風機實時監控系統總體方案

煤礦主通風機實時監控系統的總體方案如圖1所示。整個系統由遠程監控計算機、傳感器檢測單元、PLC控制單元、聲光報警裝置、主通風機運行系統等組成。其中，傳感器檢測單元由各類礦用檢測傳感器組成，主要負責檢測通風機風壓風量參數、電參數、軸承振動參數、礦井大氣環境參數等；PLC控制單元主要負責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，對風機運行狀態進行控制，起著承上啟下的作用；聲光報警裝置主要用于在監控系統監測到故障情況時實現預警功能，提示現場工作人員；主通風機運行系統由對旋式通風機、變頻調速系統以及相關機電設備組成，主通風機采用變頻調速控制方式，通過傳感器檢測信息，可針對性地改變風機的工作狀態，系統可以根據井下風量的要求，通過調節變頻器的轉速達到調節風速的目的；上位機監控系統配有組態軟件來完成現場采集數據的實時顯示、存儲、打印、報警功能，對礦井通風機進行遠程監控。

圖1 煤礦主通風機監控系統整體方案設計

2 硬件方案設計與選型

2.1 PLC控制單元選型

為適應煤礦復雜惡劣的工作環境，同時將系統所需求的模擬量、數字量、開關量實時采集并上傳給上位機，根據系統所要實現的功能需求，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各種功能，完全滿足通風機監控系統的性能要求[4]。PLC中央處理單元選用型號為CPU314，根據井下采集量的實際需求，對數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入數字量輸入模塊、1個型號為SM322的32出數字量輸出模塊、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成，負責實時監測通風機在工作過程中的各種參數，包括通風機性能參數以及電機電參數，為此對部分傳感器進行適當選型。

（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，用以監測風機振動參數。

（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，將其安裝在風機入口，可以測得靜壓、全壓、動壓等壓力值信號。

（4）風機啟停傳感器。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，可與本文的監控系統配套使用，將檢測到的設備啟停信號轉換為各種標準信號傳輸給PLC控制單元[5]。

2.3 變頻調速控制系統選型

根據對通風機風量、轉速、功率三者關系的研究得出：當改變通風機轉速時，此時通風機的輸入功率也發生了變化，這樣可以實現節能[6]。想要實現上述目標，需要加入變頻調速系統。變頻調速系統采用交—直—交變頻方式，由主電路和控制電路組成。根據實際需求，本文選用了三菱公司生產的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，參數修改以及對其的監控實現都可以直接通過PLC控制單元實現。

3 系統軟件

3.1 下位機監控程序

對應于S7-300 PLC控制器，系統采用STEP編程軟件，并使用梯形圖語言進行程序編寫[7]。在程序結構設計上采用了模塊化的設計思想，根據監控系統所要實現的功能要求，將程序劃分為多個子程序模塊，每個子程序實現一個具體的功能，并由主程序采用自上而下的方法在邏輯上進行調用。子程序模塊主要包括風機啟停程序、風機變頻倒機程序、超限聲光報警程序、模擬量采集程序等。故障預警在監控系統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合，并設置了超限報警程序，若檢測的各類參數值超過預先設定好的閾值，就會啟動報警程序，用以監控通風機性能參數以及環境參數的變化，同時進行故障診斷和排除。本系統通風機工作狀態下主程序流程框圖如圖2所示。

圖2 通風機工作狀態下主程序流程框圖

3.2 上位機軟件

為實現對煤礦整個通風機系統的監控，采用組態王技術設計了上位機監控軟件。該監控軟件可以直接與PLC控制單元實現遠程對接，各類礦用傳感器采集到通風機的性能參數和電參數之后，可通過PLC分析處理上傳到監控軟件界面，對風量、風壓、風機軸功率、轉速、電機溫度、軸承溫度等參數實現曲線和報表輸出。同時，工作人員在監控軟件上可以對通風機進行操作控制，包括實現風門開關、風機啟停、風機正反轉以及風機的變頻調速[8]。上位機監控軟件設計界面如圖3所示。

圖3 上位機監控軟件設計界面

4 結束語

本文基于計算機技術、PLC控制技術、變頻調速技術、組態王技術、傳感器檢測技術等，提出了一種新型的通風機遠程監控系統。該系統可實時地對通風道的風速、風量、風壓等環境參數，通風機軸承溫度、電機定子溫度、噪聲、振動等性能參數實現采集、分析處理、保存、實時顯示，并進行故障預警，同時系統可以自動調整風機的運行狀態或者進行故障排除。該系統經過現場測試，達到了預期目標，大大提高了煤礦通風機系統的自動化管理水平。