煤礦地面主要通風機遠程監控系統研究

張晉　趙旭東　黃瀚增

摘 要：針對煤礦地面主要通風機遠程監控系統存在的智能化水平低、可維護性差、故障率高的問題，對原通風機遠程監控系統進行優化設計。以S7 1214 CPU模塊為核心控制器，對1#—4#通風機進行“一拖一”變頻控制，并將所有運行數據通過以太網通信傳送至觸摸屏及上位機。上位機采用工業計算機實現，可實現通風機遠程實時監控及運行數據在線監測。實際應用結果表明，優化后的通風機遠程監控系統提升了通風機控制系統的智能化水平，提高了系統的維護性，降低了故障發生率，保證了通風機安全、穩定、高效運行。

關鍵詞：遠程監控;變頻控制;通風機

中圖分類號：TD724 文獻標識碼：A 文章編號：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

礦井通風系統承擔著輸送新鮮空氣、排除粉塵、稀釋有毒有害氣體的重任，是保證煤礦安全生產的重要手段之一。礦用通風系統一旦出現問題，將引發瓦斯爆炸等重特大安全事故，造成生命、財產損失[1]。因此，研究高效、穩定、安全的煤礦通風系統成為保障煤礦安全生產的前提。為確保礦井通風機運行狀態良好，通風機遠程監控成為一個關鍵技術研究方向。馮波通過對礦井內瓦斯濃度、粉塵濃度、CO等有毒有害氣體濃度進行監測，對通風機進行自適應調速，降低風機電能損耗[2]。程國志研制了同時監測通風機風速、風機風壓及溫度等多參數智能通風機監測儀，以實時、精確掌握礦井內瓦斯、粉塵濃度，為調節風機風速提供理論依據[3]。申瑞杰等研制了礦井通風機在線監測與通信系統，將監測參數擴充至風速、風壓、風機轉速及風機溫度等，并且可實現實時顯示、存儲及數據統計分析[4]。礦井通風遠程監控系統在保障工人生命安全和財產安全的同時，能降低通風故障發生率，延長通風機使用壽命，減少礦井事故發生率等。筆者以S7 1214 CPU、工業計算機為核心，優化通風機遠程監控系統，提升通風機的智能化水平和運行效率。

1 系統設計

煤礦地面主要通風機遠程監控系統如圖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#通風機，并以TCP/IP通信模式將所有通風機運行數據上傳至觸摸屏及上位機。S7 1214 CPU模塊周期性采集通風機的風門過力矩信號、風門到位信號、合閘反饋信號，并綜合分析控制室發送的遠程控制信號、指示信號后，控制1#—4#通風機的合閘/跳閘、風門打開/關閉，同時在觸摸屏、上位機實時顯示風機運行狀態、設置參數及故障報警信息等。S7 1214 CPU模塊以“一拖一”模式對1#—4#通風機進行變頻控制，根據礦井內瓦斯濃度、粉塵濃度值動態調整風機風量、風機風壓，在保證礦井安全生產的前提下自適應調整通風機運行速度，以達到節能降耗的目的。在該系統中，S7 1214 CPU模塊與觸摸屏、上位機采用TCP/IP通信模式，控制器擴展以太網接口實現[5-6];S7 1214 CPU模塊與變頻器采用CAN總線通信模式，控制器擴展CAN總線通信接口實現。

2 硬件設計

煤礦地面主要通風機遠程監控系統硬件設計即根據系統設計要求，對CPU模塊、傳感器等硬件進行選型及電氣系統接線設計。溫度傳感器選用的型號為WZP-270，測量范圍為-200～420 ℃，輸出信號為直流電壓0～5 V，響應時間小于15 s。在1#—4#通風機的每相繞組內預埋一個溫度傳感器，在通風電機前后軸承蓋軸向位置各預埋一個溫度傳感器，達到實時監測通風機繞組溫度、軸承溫度的目的。采用局部環節壓差方法對風機風壓進行檢測，風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、穩定風量的作用;濾配裝置可將風流中的粉塵、波動因素等濾除，具有除濕、穩壓的作用;壓差變送器選用的型號為SMP2088，可檢測-5～10 kPa風壓，供電電源為24 V直流電壓;輸出為標準的4～20 mA電流信號，或者0～5 V 直流電壓信號，響應時間小于100 ns。通風機運行中，如果振動幅度較大，將會導致通風機損害或者停機，因此，需要安裝振動傳感器周期性監測振動信號，選用的振動傳感器型號為YY950，可分別測量通風機[X]軸、[Y]軸的振動值，靈敏度為19.7 mV/（mm·s），并要保證通風機振動幅值不大于7 mm[7-8]。上位機選用工業計算機，24英寸（60.96 cm）LED顯示屏，抗干擾、過壓、過流能力強，內嵌Windows 10操作系統并支持TCP/IP、CAN總線通信，同時配置一臺三特2 kVA UPS不間斷電源。核心控制器選用西門子S7 1214 CPU模塊，指令響應時間短，數據處理速度快，支持TCP/IP、CAN總線通信，主頻可達1.6 GHz，滿足煤礦通風機監控系統要求。根據煤礦通風機系統要求，S7 1214 CPU模塊的輸入、輸出地址分配見表1。

3 軟件設計

煤礦地面主要通風機遠程監控系統軟件設計基于組態王平臺實現，設計主通風機監測畫面、故障診斷畫面、數據曲線畫面、歷史報警信息畫面、管理幫助畫面。S7 1214 CPU模塊將1#—4#通風機所有運行數據以TCP/IP通信模式發送給工業計算機并在該平臺顯示。例如：基于該監控平臺可選擇通風機的運行模式，具備手動、自動、檢修3種運行模式;可單獨設置通風機參數以及通風機啟停控制;可隨時調用、查看通風機溫度、風壓、風量運行數據曲線及通風機報警信息。煤礦地面主要通風機遠程監控系統軟件模塊劃分如圖2所示。

煤礦地面主要通風機遠程監控系統可展示通風機運行狀態，保留電壓、電流、運行時間及運行次數等統計數據;點擊左側相應的按鈕后，可查看用戶狀態、數據監控、視頻監控、數據查詢、曲線查詢、故障報警及參數設置等信息。

4 結論

①以煤礦地面主要通風機為研究對象，基于西門子S7 1214 CPU模塊，對通風機監控系統進行優化設計，以“一拖一”模式對1#—4#通風機進行變頻控制，以TCP/IP通信模式將所有運行數據上傳至工業計算機，達到遠程監控、實時監測的目的。

②設計煤礦地面主要通風機遠程監控平臺，通過該監控平臺可實現通風機遠程控制、數監控、數據查詢、參數設置及故障報警等功能。

③應用結果表明，優化后的通風機監控系統能夠保障通風機高效、安全、穩定運行。

參考文獻：

[1]劉磊.大型礦井主通風機智能監控系統研究[D].徐州：中國礦業大學，2019：45.

[2]馮波.煤礦安全通風智能監測監控系統設計[J].機電工程技術，2019（11）：22-23.

[3]程國志.基于時頻分析法的煤礦主要通風機故障診斷研究[J].能源與環保，2018（8）：30-32.

[4]申瑞杰，吳新忠，牛洪海，等.煤礦主要通風機遠程無線監控系統設計[J].工礦自動化，2017（11）：30-34.

[5]何遠.礦井通風監測監控系統自動智能化設計[J].煤炭科技，2017（3）：199-201.

[6]徐懷閣，劉增寶，邊紅星，等.煤礦通風機實時監控系統的設計與應用[J].煤礦技術，2017（8）：214-215.

[7]張抗抗.煤礦主通風機風量調節系統的設計與實現[D].徐州：中國礦業大學，2015：23.

[8]王春，許雯娜，廖映華.礦井通風機遠程監控系統設計[J].工礦自動化，2015（2）：58-61.