礦井通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究

靳宏寅

（同煤浙能麻家梁煤業(yè)公司， 山西 朔州 036000）

引言

礦井通風(fēng)機(jī)是通風(fēng)系統(tǒng)中的核心設(shè)備，由于其特殊的工作需求，礦井通風(fēng)機(jī)必須長期工作，但是通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行環(huán)境惡劣，存在各種安全風(fēng)險(xiǎn)，一旦通風(fēng)機(jī)出現(xiàn)問題就必須及時(shí)采取倒風(fēng)機(jī)等安全措施，因此就要求對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行長期24 h的有效監(jiān)測(cè)和控制。目前主通風(fēng)機(jī)在監(jiān)測(cè)、控制和檢修三個(gè)方面都有不足：在監(jiān)測(cè)方面主要還是利用人工定時(shí)看表和記錄；在監(jiān)控方面由于電控系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)的繼電器控制，只能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)而不能實(shí)現(xiàn)控制；在檢修方面采用人工巡檢需要大量人工。

1 礦井通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

礦井通風(fēng)機(jī)按照氣體流動(dòng)風(fēng)向進(jìn)行分類可以分為軸流式、斜流式、橫流式和離心式四種類型，其中軸流式通風(fēng)機(jī)在煤炭企業(yè)中應(yīng)用較多，一般在兩回風(fēng)井的通道上安裝兩臺(tái)功率相同的通風(fēng)機(jī)。

礦井通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由主電機(jī)、冷卻風(fēng)機(jī)、電機(jī)加熱器、稀油潤滑站、風(fēng)門等結(jié)構(gòu)組成，其中主電機(jī)采用一用一備的形式，在各個(gè)風(fēng)機(jī)的管道連接處都安裝一個(gè)獨(dú)立的風(fēng)門，并且每個(gè)風(fēng)門都是可以單獨(dú)控制的，因此可以通過控制相應(yīng)的開關(guān)來對(duì)風(fēng)門的開啟和關(guān)閉進(jìn)行控制。

在煤炭安全規(guī)程中有相關(guān)要求，對(duì)通風(fēng)機(jī)風(fēng)洞的風(fēng)速要能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通風(fēng)機(jī)的主要性能參數(shù)有最大風(fēng)量、轉(zhuǎn)速、功率、電壓、葉輪直徑、輪轂直徑、級(jí)數(shù)等。礦井通風(fēng)機(jī)的其他運(yùn)行參數(shù)還包括軸承的溫度、定子和轉(zhuǎn)子的溫度、電氣參數(shù)、前后軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)參數(shù)等[1-2]。

2 通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

礦井通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)包括三個(gè)層次，即現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與控制層、中央管理層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層，該系統(tǒng)采用的是分散控制和信息集中管理組合的結(jié)構(gòu)模式。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與控制層

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與控制層的主要功能是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)機(jī)等設(shè)備進(jìn)行各種參數(shù)的測(cè)量以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行控制。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量部分，該部分主要是由溫濕度、煙霧等各傳感器、視頻監(jiān)控儀器、智能巡檢儀和PLC等組成，其中PLC采用的是可編程的邏輯控制器。因此通過這些測(cè)量方法和手段能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)設(shè)備和電控開關(guān)柜的各種運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測(cè)，同時(shí)還能對(duì)風(fēng)機(jī)勵(lì)磁柜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在現(xiàn)場(chǎng)控制部分，在中央管理層的控制下，主要能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)風(fēng)門的開關(guān)狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)倒機(jī)、異常狀態(tài)報(bào)警三種功能?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與控制層與中央管理層之間在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，能夠?qū)崟r(shí)獲取風(fēng)機(jī)系統(tǒng)各個(gè)運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)[3-4]。此外，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與控制層能夠接收和執(zhí)行來自遠(yuǎn)程控制層的命令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

2.2 中央管理層

中央管理層的組成部分較多，主要有數(shù)據(jù)采集與通信裝置、視頻監(jiān)視器、工業(yè)計(jì)算機(jī)、電源等，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和控制層通過RS485接口進(jìn)行連接，能夠?qū)崟r(shí)收集風(fēng)機(jī)系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，通過分析和判斷后，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)在數(shù)據(jù)采集與通信裝置的觸摸屏上進(jìn)行展示。由于在RS485和高壓開關(guān)柜NARI之間形成了安全裝置觸點(diǎn)，因此能夠?qū)C合保護(hù)裝置開關(guān)的信息和開關(guān)柜的相關(guān)模擬參數(shù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)控層的判斷，能夠完成對(duì)風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程控制。

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控層

遠(yuǎn)程監(jiān)控層包括上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)和視頻監(jiān)控主機(jī)兩部分，同時(shí)采用光纖和OPC協(xié)議，使得現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與控制層和中央管理層之間能夠進(jìn)行通信，因此在中央控制室內(nèi)，操作維護(hù)人員就可以對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制，進(jìn)而對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行集中化管理。視頻監(jiān)控主機(jī)能夠?qū)⒉杉降囊曨l信息以及機(jī)房?jī)?nèi)的環(huán)境信息和聲音信息上傳到云處理器。操作維護(hù)人員能夠根據(jù)視頻監(jiān)控對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)門進(jìn)行控制，因此，從煤礦安全生產(chǎn)角度來看，通風(fēng)機(jī)房是一個(gè)非常重要的安全部位，在生產(chǎn)過程中無關(guān)人員是禁止入內(nèi)的。

3 智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成

礦井通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，該系統(tǒng)由兩大部分組成，圖中左面是監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，右面是視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 礦井通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)為典型的上下位機(jī)系統(tǒng)，下位機(jī)配置的PLC是整個(gè)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，可以完成數(shù)據(jù)的采集和通訊，傳感器有溫濕度傳感器、煙霧傳感器和風(fēng)量傳感器，采集這些傳感器的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)的采集和通訊裝置。上位機(jī)包括主通風(fēng)機(jī)控制室的控制臺(tái)監(jiān)控主機(jī)和機(jī)電隊(duì)監(jiān)控室的監(jiān)控主機(jī)兩臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)。并且上位機(jī)采用MCGS軟件進(jìn)行組態(tài)，能夠?qū)⑾挛粰C(jī)傳輸過來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，同時(shí)還能進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)預(yù)警等功能，能夠與下位機(jī)進(jìn)行通信，從而可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的通風(fēng)機(jī)等設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制[5-6]。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)包含兩組攝像頭，一組安裝在通風(fēng)機(jī)房，改組為帶云臺(tái)的攝像機(jī)；另一組安裝在與風(fēng)門處，改組攝像頭具有防爆功能。攝像頭數(shù)據(jù)通過24口交換機(jī)傳輸?shù)焦饫w收發(fā)器，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至NVR進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，通過視頻監(jiān)控顯示器可以實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控。

該智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)通風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，并能通過分析和處理在通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生或者即將發(fā)生故障時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)出報(bào)警和預(yù)警信號(hào)，及時(shí)通知設(shè)備維護(hù)人員對(duì)故障進(jìn)行排查，從而延長通風(fēng)機(jī)的使用壽命。

4 智能監(jiān)控系統(tǒng)功能

4.1 運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

1）電機(jī)運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，主要包括電機(jī)的電壓電流、電機(jī)的有功功率和無功功率、功率因數(shù)等。

2）礦井參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，包括礦井的靜動(dòng)壓、全壓壓力參數(shù)，風(fēng)速、風(fēng)量、煙霧濃度等參數(shù)。

3）風(fēng)機(jī)風(fēng)筒等參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，包括風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、振幅、以及風(fēng)機(jī)主要部分的溫度、風(fēng)筒的溫度等。

4.2 設(shè)備故障診斷和預(yù)警

本通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)采用了先進(jìn)的傳感器技術(shù)，不僅測(cè)量精度高，同時(shí)還具有較強(qiáng)的抗干擾能力。當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)溫度過高，或者風(fēng)機(jī)的振幅過大等問題出現(xiàn)后，基于各個(gè)運(yùn)行參數(shù)的高精度測(cè)量，以及通過配套的軟件運(yùn)行算法進(jìn)行分析處理，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)故障診斷和預(yù)警，并能記錄和打印相關(guān)的故障信息，采取停機(jī)等相應(yīng)的措施。該系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)在線幫助功能，幫助用戶實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)操作方法的分析以及常見故障的分析。

4.3 視頻監(jiān)控和遠(yuǎn)程操作

在通風(fēng)機(jī)房和與風(fēng)門處安裝了攝像頭，通過云存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)可以更加直觀地對(duì)整個(gè)礦井通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，能夠清晰直觀地看到風(fēng)機(jī)風(fēng)門的開啟程度以及倒機(jī)狀況等風(fēng)機(jī)操作情況，同時(shí)能夠?qū)L(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)以及故障信息通過無線通信的方式報(bào)送給監(jiān)管部門，并且監(jiān)管人員能夠進(jìn)行相應(yīng)操作將反饋信息傳輸給監(jiān)控系統(tǒng)。

5 結(jié)語

該通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)包括現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與控制層、中央管理層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層三個(gè)層次，硬件系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)兩大部分組成，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、設(shè)備故障診斷和預(yù)警以及視頻監(jiān)控和遠(yuǎn)程操作。