礦井通風機智能監控系統的研究

張子甲

（山西鄉寧焦煤集團臺頭前灣煤業有限公司，山西 臨汾 042103）

引言

礦井通風系統是煤礦井下正常作業的重要保障，通風機作為通風系統的心臟，其運行安全可靠性直接關系著礦井的安全作業[1-3]，因此對通風機的運行情況進行監控至關重要。目前，礦井通風機監控系統多采用單參數預警，經常出現礦井通風監控系統評判不全面和故障時無法及時報警，使監測數據無法發揮應有作用[4]。因此針對某煤礦服役中的通風機單參數監測帶來的問題，對礦井通風機智能監控系統進行研究。

1 監控系統的設計需求

礦用通風機常見故障涉及軸承故障、扇葉故障、轉子故障等，這些故障主要出現在礦用通風機的驅動電機及其旋轉結構位置，是需要監控系統重點監測的地方。因此，優化設計的監控系統需要具備實時監測礦用通風機運行參數的功能，一旦運行參數出現超差，就能發出故障預警，同時能夠存儲礦用通風機運行參數的歷史數據，供監控人員調用查看。

2 監控系統的設計方案

根據礦用通風機對于監控系統的需要分析，完成礦用風機監控系統的設計方案，如圖1 所示。監控系統主要由上位機、PLC 控制器、傳感器、智能電表、電機、變頻器等元器件組成，在工作過程中，系統通過不同類型傳感器采集得到通風機運行參數，經系統的I/O 轉換模塊實現對信號的轉換，將轉換后的信號傳輸至PLC 進行數據處理，并會同智能電表和變頻器等經TCP/IP 協議將數據傳輸至監控系統的上位機進行顯示，使監控人員能夠根據礦用通風機實際運行參數及趨勢對其發出控制指令，包括變頻器、風門開關等，實現系統對礦用通風機的遠程控制功能。

圖1 監控系統結構

3 監控系統硬件的設計

3.1 傳感器

傳感器作為礦用通風機智能監控系統數據的來源，工作時能夠根據一定的規律感受被測物理量的信號。傳感器在礦用通風機中的布置方式如圖2 所示，圖中的風量傳感器、風壓傳感器、溫度傳感器、振動傳感器以及智能電表等器件負責采集礦用通風機運行過程中的風壓、風量、軸承溫度、電壓、電流等實時運行參數。

圖2 傳感器布置位置

3.2 PLC 控制器

PLC 為可編程邏輯控制器的簡稱，在工業現場應用較為廣泛。PLC 內部的模擬量輸入模塊可以直接接收來自各種傳感器的模擬信號，模擬信號經過數據分析處理之后由模擬量輸出模塊傳輸至變頻器，以便調節通風電機的運行狀態。PLC 內部的開關量輸入模塊用于接收開關通斷信息，開關量輸出模塊則根據邏輯控制關系控制系統中各繼電器的通斷。PLC 主控模塊負責數據的存儲和分析，借助以太網及TCP/IP 協議將分析結果傳輸至上位機進行數據顯示與控制。

3.3 變頻器

變頻器主要被用于控制通風機的驅動電機，其原理是運用變頻技術與微電子技術改變電機電源頻率實現調速目的。變頻器工作時先經過一次AC/DC轉換，再經過一次DC/AC 轉換，實現驅動電機頻率的無極調速，頻率改變值由PLC 數據輸出模塊控制。變頻器接線關系如圖3 所示。

圖3 變頻器接線關系

4 監控系統軟件的設計

4.1 PLC 程序的設計

在STEP7-Micro/WIN SMART 環境中進行PLC程序的編寫，結合礦井生產情況，確定PLC的主要功能是數據采集，包括模擬量、開關量等，處理數據之后輸出控制繼電器、變頻器等動作。借助傳感器完成模擬數據的采集，通過移動字指令MOV_W 和雙整數轉為浮點數指令DIR 等，例如，將電機軸承溫度傳感器信號傳入PLC 并存儲，處理之后將其傳輸至上位機顯示軸承溫度數值。開關量狀態包括開和關，代表控制器件的通斷狀態，例如，把需要顯示輸入I 與中間繼電器M點直接連接，通過M 點傳入上位機來表示I 點的通斷。模擬量輸出經變頻器計算得出不同的參數，再通過移動字指令MOV_W 被傳入模擬量輸出寄存器AQW，根據要求輸出不同頻率的控制電機功率。開關量輸出主要用于實現PLC 對繼電器的控制功能。

4.2 通訊方式的實現

因本監控系統中的PLC 與組態王之間采用網絡接口連接，需要配置OPC 軟件。建立連接專用文件，包括不同PLC 變量文件和變量、組態定義的變量一一對應的地址及其開關量或數字量。OPC 軟件中的“數據類型”即變量對應的類型，組態王的變量對應PLC的量這兩者的數據類型需一致，否則讀取或輸出時會出錯。

4.3 顯示界面的設計

礦用通風機監控系統界面不僅可以實時顯示通風機各運行參數，供系統監控人員及時了解礦用通風機的實時工作狀況，同時，監控人員也可以根據獲取的監控數據及其變化趨勢，修改礦用通風機相關參數，實現礦用通風機的遠程控制功能。如圖4 所示，極為形象地顯示了礦用通風機的運行情況，包括進風閘門的開關、風量和風速等。監控人員可以通過主界面中的按鈕完成監控界面的切換，實現報警參數設置、故障預測、歷史數據查詢、報表下載打印等功能。

圖4 礦用通風機監控系統主界面

5 監控系統應用效果

為了驗證礦用通風機智能監控系統設計效果，將其應用于某煤礦服役中的礦用通風機進行試運行，進行了為期半年的跟蹤記錄，結果表明，該監控系統運行穩定可靠，滿足礦用通風機運行狀態實時監測與遠程控制功能。統計結果顯示，該監控系統在試運行中，未出現故障報警滯后的情況，相較于原監控系統，節省系統運維人員2～3 名，減少了近12%的故障排查時間，降低了工作人員的勞動強度，提高了近10%的采煤機械利用率，降低了煤炭掘進成本，提升了煤炭企業的產量，取得了很好的應用效果。