礦井通風(fēng)機智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究

高萬普

（山西華融龍宮煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 忻州 034100）

引言

礦用通風(fēng)機作為煤炭礦井正常生產(chǎn)的重要設(shè)備，其能否可靠穩(wěn)定運行不僅關(guān)系著井下采礦工人的生命安全，還與煤炭企業(yè)的采煤效率和產(chǎn)量息息相關(guān)[1-3]。控制系統(tǒng)作為通風(fēng)機的重要組成部分，為通風(fēng)機的正常運行傳輸控制指令，使其按照規(guī)定的轉(zhuǎn)速、風(fēng)量等連續(xù)運行[4]。近年來，智能監(jiān)控技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，在一些傳統(tǒng)設(shè)備控制系統(tǒng)的改造過程中得到了應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果[5-6]。

1 通風(fēng)機智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通風(fēng)機智能監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，主要包括遠程控制層、集中控制層和現(xiàn)場設(shè)備層三部分。遠程控制層的作用是對通風(fēng)機進行遠程監(jiān)視與控制，借助以太網(wǎng)與集中控制層完成二者之間的信息交互；集中控制層可謂是監(jiān)控系統(tǒng)的核心，主要涉及PLC和工控機，負責(zé)對通風(fēng)機實時狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測，如風(fēng)量、風(fēng)壓、電壓、電流等，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的遠程控制，如通風(fēng)機的啟停、調(diào)速等，還具有通風(fēng)機故障診斷功能；現(xiàn)場設(shè)備層主要是指通風(fēng)機運行狀態(tài)參數(shù)實時監(jiān)測傳感器，完成對通風(fēng)機現(xiàn)場信號的可靠采集。

圖1 通風(fēng)機智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2 通風(fēng)機智能監(jiān)控的硬件設(shè)計

2.1 硬件分系統(tǒng)的設(shè)計

通風(fēng)機智能監(jiān)控系統(tǒng)中央控制器核心元件為PLC，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。PLC是整個系統(tǒng)的監(jiān)控中心，涉及通風(fēng)機溫度、風(fēng)量、電壓、電流等實時參數(shù)的監(jiān)測，完成數(shù)據(jù)處理之后將其顯示于監(jiān)控系統(tǒng)的上位機供監(jiān)控人員遠程觀察通風(fēng)機的運行情況和掌握通風(fēng)機的實時運行狀態(tài)。同時，PLC也可以通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線與通風(fēng)機的變頻器進行通信，實現(xiàn)對通風(fēng)機的遠程控制與調(diào)整功能。上位機實時存儲監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是獲取并存儲通風(fēng)機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，當(dāng)通風(fēng)機出現(xiàn)故障時，供運維人員調(diào)出歷史數(shù)據(jù)了解故障出現(xiàn)的過程，以降低通風(fēng)機運維人員的故障排查難度。通風(fēng)機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集由多種傳感器完成，包括振動傳感器、風(fēng)量傳感器、電壓傳感器等，傳感器工作性能不僅關(guān)系著監(jiān)控系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，還與檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性息息相關(guān)，是智能監(jiān)控系統(tǒng)功能得以實現(xiàn)的重要保證。

圖2 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 PLC控制器的選型設(shè)計

依據(jù)通風(fēng)機智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計要求及應(yīng)用條件，選擇S7-1200系列的PLC作為智能監(jiān)控系統(tǒng)的控制器，采用模塊化思想開展系統(tǒng)搭建。圖3給出了PLC導(dǎo)軌示意圖，系統(tǒng)中的CPU1214C是PLC監(jiān)控系統(tǒng)的核心，電源模塊為PM1207，通信模塊為CM1243-5和CM1241，前者支持PROFIBUS信號通信。PLC控制器中的模擬量輸入模塊為SM1231、數(shù)字量輸入模塊為SM1221、數(shù)字量輸出模塊為SM1222，分別負責(zé)通風(fēng)機檢測信號的采集輸入、采集信號的A/D數(shù)字轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號的定時輸出等功能的實現(xiàn)。

圖3 PLC導(dǎo)軌示意圖

2.3 傳感器的選型

通風(fēng)機溫度信號的采集選擇型號為XMD5000的多功能巡檢儀完成，內(nèi)部溫度采集元件為PT100型溫度傳感器，數(shù)據(jù)采集靈敏迅速。通風(fēng)機運行過程中電參數(shù)的采集選擇EDA9033A模塊完成，借助RS-485總線將所采集參數(shù)實時傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)上位機進行動態(tài)顯示。風(fēng)壓檢測傳感器選擇型號為APG-LC100的壓力傳感器。選擇型號為GQQ0.1（D）的煙霧報警器進行機房火災(zāi)的預(yù)防報警。

3 智能監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)主程序的設(shè)計

智能監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測涉及兩臺通風(fēng)機，有手動和自動兩種操作模式。手動操作模式時，操作人員能夠根據(jù)通風(fēng)機現(xiàn)場運行情況進行設(shè)備操控，多在通風(fēng)機故障或者調(diào)試時應(yīng)用。圖4給出了1號通風(fēng)機智能監(jiān)控系統(tǒng)自動控制模式下的主程序流程，可以看出，在程序啟動之后，風(fēng)門控制子程序運行，調(diào)節(jié)控制通風(fēng)機主副風(fēng)門，根據(jù)現(xiàn)場通風(fēng)量的要求控制變頻器實現(xiàn)對通風(fēng)電機轉(zhuǎn)速的控制。當(dāng)變頻器的運行狀態(tài)不正常時，系統(tǒng)自動重啟變頻器；當(dāng)變頻器運行正常時，即可開啟通風(fēng)機現(xiàn)場監(jiān)測傳感器，完成對通風(fēng)機運行狀態(tài)的實時監(jiān)控。通過工業(yè)以太網(wǎng)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至智能監(jiān)測系統(tǒng)的上位機進行顯示。當(dāng)1號通風(fēng)機出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)在發(fā)出報警信息的同時自動切換至備用通風(fēng)機（2號），確保井下通風(fēng)系統(tǒng)的正常運行。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)主程序

3.2 人機交互界面的設(shè)計

人機交互界面作為通風(fēng)機智能監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著通風(fēng)機運行狀態(tài)的實時顯示任務(wù)，又為監(jiān)控人員根據(jù)通風(fēng)機實際工作狀態(tài)完成通風(fēng)機指令的輸入提供平臺。通過運行可知，通風(fēng)機運行狀態(tài)在監(jiān)測界面中的動態(tài)顯示，涉及軸承溫度、電機溫度、電機功率、風(fēng)量等參數(shù)，為監(jiān)控人員提供了可靠的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，使其能夠及時掌握通風(fēng)機現(xiàn)場運行情況，同時，監(jiān)控人員也可以根據(jù)實際情況對通風(fēng)機運行時的警戒值進行設(shè)置。

4 應(yīng)用效果評價

為了驗證通風(fēng)機智能監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控效果，將其應(yīng)用于某煤炭企業(yè)服役中的通風(fēng)機上進行試運行，跟蹤記錄了監(jiān)控系統(tǒng)半年內(nèi)的運行情況。統(tǒng)計結(jié)果顯示，相較于通風(fēng)機原有控制系統(tǒng)，降低了近15%的故障排查時間，減少了2~3名通風(fēng)機運行維護人員，提高了通風(fēng)機近10%的利用率，保證了通風(fēng)機運行的可靠性。可見該智能監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，滿足通風(fēng)機自動化、智能化控制的要求。