郭亞濤,田新旗
(河南永錦能源有限公司,河南 禹州 461670)
煤礦開(kāi)采過(guò)程中,礦井內(nèi)部會(huì)涌現(xiàn)出大量瓦斯以及其他有毒有害氣體,對(duì)煤礦開(kāi)采安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1]。煤礦通風(fēng)機(jī)的作用是向礦井內(nèi)部輸入新鮮空氣,同時(shí)將礦井內(nèi)的有毒有害氣體排出井外,優(yōu)化礦井工作環(huán)境,使之達(dá)到煤礦安全生產(chǎn)規(guī)范要求[2]。通風(fēng)機(jī)在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中的安全性是不言而喻的,一旦通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障問(wèn)題就會(huì)威脅礦井生產(chǎn)安全。隨著煤礦開(kāi)采朝著縱深方向發(fā)展,對(duì)通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的安全性要求越來(lái)越高,通風(fēng)過(guò)程中風(fēng)量過(guò)大或過(guò)小、通風(fēng)量過(guò)多或過(guò)少都會(huì)對(duì)礦井安全造成一定的影響,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的煤礦生產(chǎn)安全事故[3]。基于此,有必要設(shè)計(jì)研究煤礦通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng),對(duì)通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集監(jiān)控[4],以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)煤礦通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中存在的安全隱患,并采取措施進(jìn)行處理,將小隱患扼殺在萌芽階段,避免引發(fā)更大的安全事故。本文結(jié)合煤礦通風(fēng)機(jī)實(shí)際情況,設(shè)計(jì)研究了一種在線監(jiān)控系統(tǒng),并將其應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中,取得了很好的效果,值得其他煤礦企業(yè)借鑒。
某礦井每年的產(chǎn)煤量達(dá)到了220萬(wàn)t,井田的長(zhǎng)度和寬度分別大約為8 km和2 km,整體面積大約為15.62 km2。經(jīng)過(guò)實(shí)踐探測(cè)發(fā)現(xiàn)礦井的相對(duì)瓦斯涌出量和絕對(duì)瓦斯涌出量分別達(dá)到了13 m3/t和46.8 m3/min,對(duì)比《煤礦安全規(guī)程》可知該礦井屬于高瓦斯礦井。目前礦井總共有2個(gè)采區(qū),分別在東部區(qū)域和西部區(qū)域,2個(gè)采區(qū)分別設(shè)置有主通風(fēng)機(jī)。本文主要以東部區(qū)域的主通風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象。
為了確保煤礦開(kāi)采過(guò)程的安全,主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)使用了2臺(tái)通風(fēng)機(jī)(1用1備)。2臺(tái)通風(fēng)機(jī)的型號(hào)均為G4-73-11.25D,屬于離心式通風(fēng)機(jī),額定電壓為1 140 V,功率為315 kW。正常運(yùn)行時(shí),通風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度可以達(dá)到730 r/min,提供的風(fēng)量為90m3/s,全壓為1 200~4 200 Pa。
在線監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用是利用檢測(cè)裝置對(duì)煤礦通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并基于通信系統(tǒng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中,上位機(jī)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)判,從而發(fā)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行中存在的安全隱患。需要監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)主要包含:①風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況。風(fēng)機(jī)振動(dòng)情況、風(fēng)速、風(fēng)量、全壓等;②電機(jī)運(yùn)行工況。定子繞組和軸承的溫度、電壓、電流及功率等;③開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)。風(fēng)門(mén)的開(kāi)啟狀態(tài)、電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向、通風(fēng)機(jī)的啟停狀態(tài)等。一旦發(fā)現(xiàn)以上狀態(tài)數(shù)據(jù)存在異常時(shí),系統(tǒng)會(huì)向外發(fā)出聲光警報(bào)[5]。
通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)作為保障設(shè)備安全運(yùn)行的重要措施和手段,需要同時(shí)對(duì)通風(fēng)機(jī)的多種狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[6]。在充分考慮通風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的基礎(chǔ)上,最終確定分別以PLC控制器和DIP8011軟件系統(tǒng)作為硬件核心和軟件核心,再配合使用各種本質(zhì)安全型隔爆傳感器以及工業(yè)計(jì)算機(jī)等儀器設(shè)備,構(gòu)建完整的監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)傳感器采集得到的各種模擬量信號(hào),基于模擬量輸入和輸出模塊可以將其傳輸?shù)焦I(yè)控制計(jì)算機(jī)中,各種開(kāi)關(guān)量信號(hào)同樣需要傳入到PLC控制器中進(jìn)行分析和處理。PLC控制器獲取相關(guān)數(shù)據(jù)后,一方面會(huì)將其存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中,另外還需要將其傳輸?shù)絃ED顯示器中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。如果經(jīng)過(guò)控制器分析處理后,發(fā)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)設(shè)備存在安全隱患或故障問(wèn)題,則會(huì)發(fā)出聲光警報(bào)。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過(guò)UPS不間斷電源進(jìn)行供電,確保緊急情況下監(jiān)控系統(tǒng)仍然能夠正常運(yùn)行。在線監(jiān)控系統(tǒng)整體方案框圖如圖1所示。DIP8011軟件系統(tǒng)安裝在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中。

圖1 在線監(jiān)控系統(tǒng)整體方案框圖Fig.1 Block diagram of the overall scheme of the online monitoring system
從圖1中可以看出,煤礦通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中,包括通風(fēng)機(jī)、變頻器電控柜、蝶閥等都是需要監(jiān)測(cè)的對(duì)象,因?yàn)檫@些硬件設(shè)施會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生比較重要的影響。這些設(shè)備的狀態(tài)信息,通過(guò)傳感器和變送器等進(jìn)行采集、傳輸,最終全部轉(zhuǎn)換成為4~20 mA的電流或者1~5 V的電壓信號(hào)。通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量信號(hào)后才能夠被PLC控制器接受并處理。
(1)溫度傳感器。采用WTP-270型鉑熱電阻傳感器對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè),測(cè)量溫度在-200~420 ℃,輸出的模擬量信號(hào)在0~5 V DC范圍內(nèi)變化。溫度傳感器主要是對(duì)電機(jī)的繞組和軸承溫度進(jìn)行檢測(cè),每臺(tái)電機(jī)需要使用5支傳感器(繞組部位安裝3支溫度傳感器,2個(gè)軸承部位各安裝1支傳感器)。共有2臺(tái)通風(fēng)機(jī),每臺(tái)通風(fēng)機(jī)配備有2臺(tái)電機(jī),共需要使用20支溫度傳感器。
(2)風(fēng)壓傳感器。由于通風(fēng)機(jī)輸出的風(fēng)壓流暢不是非常穩(wěn)定,測(cè)量時(shí)存在一定難度。研究基于局變環(huán)節(jié)壓差法對(duì)風(fēng)壓進(jìn)行檢測(cè),風(fēng)壓傳感器基本原理流程如圖2所示。其中,引壓裝置和濾配裝置都安裝在通風(fēng)機(jī)風(fēng)道內(nèi)的局變環(huán)節(jié)。壓差變送器安裝在配電柜中,型號(hào)為SMP2088,該設(shè)施具有較高的精度及靈敏度,測(cè)量范圍較廣(5~10 kPa)。

圖2 風(fēng)壓傳感器基本原理流程Fig.2 Basic principle flow chart of wind pressure sensor
(3)振動(dòng)傳感器。煤礦生產(chǎn)環(huán)境比較復(fù)雜,通風(fēng)機(jī)工作時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)的原因是多方面的,難以根治。選用的振動(dòng)傳感器型號(hào)為YY950,對(duì)設(shè)備運(yùn)行時(shí)X和Y方向上的振動(dòng)情況進(jìn)行檢測(cè)[7]。正常工作時(shí)的溫度在-30~70 ℃,靈敏度和線圈最大位移分別為19.7 mA/mm/s和1.5 mm。根據(jù)煤礦生產(chǎn)安全規(guī)范要求,通風(fēng)機(jī)工作時(shí)最大振動(dòng)幅度不得超過(guò)7 mm。如果檢測(cè)振動(dòng)幅度超過(guò)了7 mm,系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)出聲光信號(hào),提示工作人員立即處理,消除安全隱患。為了更好地對(duì)通風(fēng)機(jī)振動(dòng)情況進(jìn)行檢測(cè),還配套使用了SLW-3004型位移變送器,可以對(duì)設(shè)備運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)頻率及其位移量進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)。
(4)電量信號(hào)檢測(cè)裝置。基于R4233型智能綜合電參數(shù)采集模塊對(duì)通風(fēng)機(jī)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的各項(xiàng)電參數(shù),包括功率、三相電壓、三相電流等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集[8]。該采集模塊可以通過(guò)串口通信的模式與PLC控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳輸,支持多種協(xié)議模式,包括MODBUS協(xié)議模式和ASCII碼協(xié)議模式,顯著提升了該檢測(cè)裝置的環(huán)境適應(yīng)性。R4233型智能綜合電參數(shù)采集模塊原理如圖3所示。

圖3 R4233型智能綜合電參數(shù)采集模塊原理Fig.3 Schematic diagram of R4233 intelligent comprehensive electrical parameter acquisition module
PLC控制器目前已經(jīng)發(fā)展非常成熟,市場(chǎng)上有多種類型可供選擇。但S7-300系列PLC控制器在工業(yè)領(lǐng)域有非常好的應(yīng)用效果[9],因此選用該型號(hào)。選用的模擬量輸入模塊和輸出模塊型號(hào)分別為6ES7 331-7KF01 0AB0和6ES7 332-5HD01-0AB0。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,在線監(jiān)控系統(tǒng)共需要輸入的模擬量數(shù)量為50個(gè),而PLC控制器中每個(gè)模擬量輸入模塊只有8個(gè)通道,所以共選用了7個(gè)模擬量輸入模塊,能夠滿足實(shí)際使用需要。系統(tǒng)中需要使用的模擬量輸出通道為2個(gè),使用1個(gè)輸出模塊即可。S7-300型PLC控制器模擬量輸入模塊的電路結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 模擬量輸入模塊的電路結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Schematic diagram of the circuit structure of the analog input module
控制器中選用的開(kāi)關(guān)輸入模塊和輸出模塊型號(hào)分別為6ES7 321-1BL00-0AA0和6ES7 322-1BH01-0AB0。其中,開(kāi)關(guān)輸入模塊的主要作用是將開(kāi)關(guān)量信號(hào)轉(zhuǎn)換成為“0”和“1”電平信號(hào),這樣才能夠傳輸?shù)紺PU模塊中進(jìn)行處理。系統(tǒng)中的開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)數(shù)量為24個(gè),使用1個(gè)模塊就能滿足要求。開(kāi)關(guān)量輸出模塊的作用是將PLC控制器輸出的電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量信號(hào),同時(shí)還可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大,同樣只需要1個(gè)模塊即可滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。
CPU模塊是PLC控制器中的核心部分,其性能好壞直接決定了PLC控制器的質(zhì)量,選用的CPU模塊型號(hào)為315-2 DP,其具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力,可以同時(shí)進(jìn)行多通道運(yùn)算。電源模塊的作用主要是對(duì)PLC控制器中所有的模塊進(jìn)行供電,選用PS-307-1KA01-0AA01型電源模塊,可以將外部輸入的電壓轉(zhuǎn)換成為24 V直流電壓。通信模塊選用CP343型,基于該模塊可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信以及與其他硬件設(shè)施的連接通信。
軟件程序部分的質(zhì)量會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性產(chǎn)生決定性的影響。以下主要從PLC軟件程序和DIP8011軟件系統(tǒng)2個(gè)層面進(jìn)行詳細(xì)介紹。
在STEP7軟件中完成PLC軟件程序設(shè)計(jì)[10]。基于模塊化思想對(duì)軟件程序進(jìn)行設(shè)計(jì),將整個(gè)在線監(jiān)控系統(tǒng)的功能進(jìn)行劃分,針對(duì)不同的功能分別進(jìn)行程序設(shè)計(jì),這種設(shè)計(jì)思想不僅便于軟件程序的實(shí)現(xiàn),同時(shí)也有助于后期對(duì)程序的維護(hù)。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)可以對(duì)需要采集的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類采集,并分類輸出不同的結(jié)果。軟件程序包含一個(gè)主程序和若干個(gè)子程序,通過(guò)主程序?qū)ψ映绦蜻M(jìn)行調(diào)取。PLC軟件主程序流程如圖5所示。
軟件開(kāi)始運(yùn)行后,系統(tǒng)通電首先對(duì)上周期運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行清零處理,為此次在線監(jiān)控工作做好準(zhǔn)備工作,然后開(kāi)始程序的其他各項(xiàng)操作。從圖5中可以看出,在主程序的運(yùn)行過(guò)程中,會(huì)不斷地調(diào)取各種子程序。比如,確定啟用系統(tǒng)的監(jiān)控和監(jiān)視功能后,主程序開(kāi)始調(diào)用功能模塊子程序FC1、FC2、FC3。其中,子程序FC1的作用是完成上位機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)量的顯示;子程序FC2的作用是對(duì)兩臺(tái)通風(fēng)機(jī)及對(duì)應(yīng)的2個(gè)蝶閥外圍動(dòng)作進(jìn)行邏輯控制;子程序FC3的作用是將采集得到的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中。另外,在風(fēng)機(jī)啟動(dòng)以后,還會(huì)調(diào)用FC95、FC100和FC105子程序,其主要作用是對(duì)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中涉及到的模擬量數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行采集、邏輯比較、執(zhí)行輸出。

圖5 PLC主程序流程Fig.5 PLC main program flow chart
該系統(tǒng)基于客戶期器/服務(wù)器的結(jié)構(gòu)模式,采用的是比較常用的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),整個(gè)系統(tǒng)主要由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。
(1)配置子系統(tǒng)。針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組態(tài)是配置子系統(tǒng)的主要任務(wù)。配置子系統(tǒng)的主要工作流程如圖6所示。
由圖6可知,需要配置的主要包括用戶管理、系統(tǒng)設(shè)置、地圖管理、數(shù)據(jù)字典定義等部分。①用戶管理最重要的是對(duì)不同級(jí)別的人員劃分不同的權(quán)限,權(quán)限越高的人員使用的功能越多;②系統(tǒng)設(shè)置主要是對(duì)系統(tǒng)的通信、串口、進(jìn)程等方面進(jìn)行設(shè)置,比如可以對(duì)數(shù)據(jù)采集的周期、延遲時(shí)間等進(jìn)行設(shè)置;③在地圖管理模塊中,可以向系統(tǒng)中導(dǎo)入礦井地圖,并且設(shè)置監(jiān)控點(diǎn),可以在系統(tǒng)中對(duì)礦井地圖進(jìn)行編輯;④數(shù)字字典定義的作用是對(duì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備相關(guān)的信息進(jìn)行設(shè)置,比如可以設(shè)置設(shè)備的類型、處理方式等;生成儲(chǔ)存表的作用主要是對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類,并將其存儲(chǔ)到歸類的數(shù)據(jù)表中,比如有電力參數(shù)儲(chǔ)存表、振動(dòng)信息儲(chǔ)存表等。根據(jù)配置子系統(tǒng)可以充分結(jié)合礦井實(shí)際情況對(duì)整個(gè)在線監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行有效的配置,使之更好地適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)情況。

圖6 配置子系統(tǒng)的主要工作流程Fig.6 Main work flow chart of the configuration subsystem
(2)數(shù)據(jù)處理與查詢子系統(tǒng)。軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ),用戶隨時(shí)可以將存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行提取、查看,并且可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)要處理,使之以可視化的形式呈現(xiàn)。可以查詢的信息包括通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)信息、某一個(gè)參數(shù)隨時(shí)間的演變情況、故障或者安全隱患報(bào)警信息等。
(3)地圖管理子系統(tǒng)。軟件中地圖管理子系統(tǒng)的主要作用是將采集得到的通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息以可視化的形式進(jìn)行呈現(xiàn)。
本文所述的煤礦東部區(qū)域礦井主通風(fēng)機(jī),之前沒(méi)有使用在線監(jiān)控系統(tǒng),主要通過(guò)人工方式對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行巡查和檢修。無(wú)法實(shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息,在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)存在的安全問(wèn)題,嚴(yán)重制約著通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。為了驗(yàn)證煤礦通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)的可行性,基于上文所述的設(shè)計(jì)方案,將其應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中。截至目前,在線監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦中已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行1年時(shí)間,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)整體運(yùn)行良好,整個(gè)運(yùn)行期間沒(méi)有出現(xiàn)明顯的故障問(wèn)題。基于監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的風(fēng)速、風(fēng)量、振動(dòng)、溫度等關(guān)鍵運(yùn)行狀態(tài)信息參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。基于上位機(jī)監(jiān)控大屏,工作人員可以實(shí)時(shí)掌握通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行期間出現(xiàn)了多次聲光警報(bào),主要問(wèn)題集中在通風(fēng)量過(guò)小、軸承溫度過(guò)高等,為工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題贏得了寶貴時(shí)間,有效保障了煤礦安全。總之,煤礦通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)的成功實(shí)踐應(yīng)用,為通風(fēng)機(jī)設(shè)備日常的維護(hù)保養(yǎng)、檢修等工作提供了很好的數(shù)據(jù)支撐,顯著提升了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性,降低了通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的日常運(yùn)行維護(hù)保養(yǎng)成本,維護(hù)成本可以降低30%以上,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。
本文以煤礦通風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象,對(duì)其在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用,所得結(jié)論主要如下。
(1)設(shè)計(jì)的在線監(jiān)控系統(tǒng),基于數(shù)據(jù)量采集模塊對(duì)通風(fēng)機(jī)各部分的運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,通過(guò)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)部分的連接。采集到的狀態(tài)信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中進(jìn)行分析處理,一旦存在安全隱患,系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光警報(bào)。
(2)檢測(cè)單元主要包括溫度傳感器、風(fēng)壓傳感器、振動(dòng)傳感器、電量信號(hào)檢測(cè)裝置等,選用的PLC控制器型號(hào)為S7-300。軟件部分主要是對(duì)PLC和DIP8011軟件系統(tǒng)2個(gè)層面進(jìn)行詳細(xì)介紹。
(3)將設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦生產(chǎn)實(shí)踐中,基于應(yīng)用情況發(fā)現(xiàn)取得了很好的效果,能準(zhǔn)確地對(duì)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行中存在的安全隱患進(jìn)行警告,不僅降低了通風(fēng)機(jī)設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)成本,且顯著提升了煤礦生產(chǎn)的安全性。