礦井主通風機運行監測系統設計與研究

王玉豪

(西山煤電(集團)有限責任公司 通風部，山西 太原 030053)

0 引言

礦井主通風機作為煤礦中最重要的通風設備，又被稱為“煤礦之肺”，主通風機的可靠運行是保證煤炭開采作業正常安全進行的必要前提[1，2]。由通風機為主要設備所構成的煤礦通風系統的主要任務是向井下運送新鮮空氣，并控制井下有害氣體、瓦斯及粉塵的濃度，如果通風系統發生故障，將會給井下生產作業帶來嚴重的安全隱患[3]。因此針對通風機建立一套安全、可靠、智能的監測與控制系統對提高煤炭生產的效率和安全性具有重要意義。

我國早期煤礦通風系統的供電方式大多采用單電源回路，系統的結構過于簡單，可靠性低下，時常發生意外斷電斷風等問題，極易造成井下有害氣體或粉塵濃度急劇增大，給井下煤炭開采作業帶來十分嚴重的安全隱患；同時相應的監控系統在通風環節出現意外時無法保證故障信息的及時上傳，風機運行參數的監測精度及響應速度普遍低下，無法實時掌握主通風機的運行狀態，且風機的控制操作繁瑣復雜，無法在主通風機出現故障被迫停機時及時切換至備用風機保障井下通風，不能滿足目前煤礦智能化監控的需求。雖然目前國內已對礦井通風測控系統進行了大量的研究及改進，但由于國外對先進通風監控設備及技術的壟斷，導致我國煤炭開采智能化的發展受到嚴重制約[4]。

針對上述問題，本文提出了一種基于PLC的礦井通風機智能監測系統，采用PLC控制技術實現井下主通風機高效控制與在線監測一體化，詳細描述了系統的硬件構成與軟件設計，對于提高井下通風設備監測與控制智能一體化具有一定指導意義。

1 系統總體設計方案

1.1 系統架構

通風機運行監控系統采用模塊化方式構建，系統總體結構如圖1所示。由圖1可知，系統的控制對象為一主一備兩臺礦井通風機，兩臺通風機在運行時互為備用，通風機結構均為對旋軸流式，可在低功耗條件下實現風量、風壓的高效靈活調節。通風機的工作方式選擇最普遍的抽出式，將兩臺通風機置于回風井口，通過通風機運行時對回風井口所產生的負壓來實現空氣的交換。

圖1 系統總體結構圖

本系統按照功能可劃分為PLC控制模塊、上位機監控模塊、遠程調度模塊、風機驅動控制模塊和運行參數采集模塊五部分。以PLC S7-300為核心的控制模塊是整個監控系統的中樞，用于上傳下達傳感器采集到的各類通風機運行參數并根據控制要求對通風機運行狀態進行調整和監測，主站PLC與從站PLC采用RS485進行通訊；上位機監控模塊用于實時顯示風機的狀態參數并下達各類操作指令；遠程調度模塊為系統提供數據服務器，用于遠程測量和記錄通風機的運行狀態[5]；風機驅動控制模塊主要由變頻器、電動機和相應的控制柜組成，用于實現通風機的供電及PID控制；運行參數采集模塊主要用于主通風機風量、風壓、繞組溫度、風機振幅及電參數等運行參數的采集和上傳。

1.2 系統控制原理

圖2為通風機運行監控系統結構原理圖。由圖2可知，整個監控系統采用負反饋控制結構，當系統運行時，首先由上位機系統向PLC發送開機指令至變頻器并通過電動機帶動通風機啟動；在主通風機運行過程中，運行參數采集模塊中的各類傳感器會將風機運行時的風量、風壓等參數收集并傳輸至PLC中；當上位機接收到由傳感器采集的信號時，由上位機系統進行分析計算，并向PLC輸出PID調節信號；此時PLC將上位機系統傳輸而來的控制信號經D/A轉換為變頻器可識別的標準電信號，從而實現變頻器的頻率調節及啟停控制，并進一步調節電動機的電壓和頻率實現對通風機的轉速控制。當管道內風量及風壓過大時，通過該閉環負反饋控制系統即可向變頻器輸出相應信號將輸出降低，從而降低通風機的電壓與頻率，緩解管路系統的風量與壓力，反之同理。通過該閉環負反饋控制系統實現井下通風量自動調節并維持到合理數值，保障井下作業的安全。

圖2 通風機運行監控系統結構原理圖

2 硬件方案設計及選型

該監控系統的核心部分主要為三個主從站PLC、用于現場運行參數采集的各類傳感器、用于標準信號轉換的各類變送器以及用于監測保護的綜保裝置，上述核心硬件設備的合理選用是保證系統控制及采集參數可靠性的關鍵，因此需要進行合理選型。PLC在選型時不僅要考慮處理器的計算速度、存儲容量及接口數，還需要綜合考慮成本及適應性。本系統選用西門子S7-300可編程控制器，其結構設計緊湊，運算速度達0.1 μs～0.6 μs，并且其結構采用模塊化設計，其CPU、電源模塊、信號模塊、功能模塊、通訊模塊、接口模塊等可自由組合擴展，適用于中小型控制系統，完全能夠滿足本系統的需求[6]。

風壓監測選用PT124B-3501型微差壓變送器，通過在通風機入口處鉆孔并安裝壓力管來獲取風機運行時的靜壓、動壓及全壓信號，并將其轉換為4 mA～20 mA標準電信號上傳至PLC中。

風機振動監測用來測量由于風機轉子不平衡、零件間摩擦等原因所產生的振動問題，本系統選用JM-B-39一體化振動變送器，其測量的振幅峰峰值范圍為0 μm～500 μm，測量精度可達0.5級，線性誤差≤±0.5%，相應輸出為標準4 mA～20 mA電流信號，且器件可安裝于風機前后軸承處。

電動機繞組與軸承的溫度監控對于風機的穩定運行至關重要[7]。本系統選用PT100溫度傳感器對電機溫度信號進行采集，再通過溫度變送器轉換為相應的電流信號傳輸至PLC的DB模塊中，再經PLC通過以太網通訊至上位機顯示界面將溫度參數實時顯示。

通風機運行時的電壓、電流及功率等電參數作為衡量風機性能及運行穩定性的重要指標，也需要通過監控系統進行重點監測。本系統選用HDFJ-3X型風機智能綜合保護裝置對電參數進行采集并實現設備線路保護，電參數通過PLC通訊模塊與綜保裝置連接進行傳輸。

3 軟件方案設計

主通風機運行監測與控制系統主程序流程如圖3所示。

圖3 監控系統主程序流程圖

當系統運行時，首先會進行系統初始化及自檢過程，無誤后對風機的啟動模式進行判斷，如需手動控制則切換至手動模式進行操控即可；進入自動運行后，向1#主通風機下達啟動指令，并對1#、2#號風機的電動蝶閥開關狀態進行判斷，當1#風機運行時，相應的1#風機蝶閥應處于開啟狀態，2#風機蝶閥應處于關閉狀態；蝶閥狀態確認正確后，設置1#主風機的變頻器頻率并開啟，驅動M11、M12號電機運行，此時1#主風機進入運行狀態，由運行參數監測模塊對其運行參數進行實時測量和上傳，再通過PLC與上位機進行數據采集交換，并通過上位機顯示屏實時顯示風機運行參數及狀態；當1#主通風機發生故障后，監控系統將自動切換至備用2#風機完成倒風機操作，保證井下通風的正常進行，2#備用風機啟動程序流程與1#風機相同。

4 結束語

本文設計的礦井主通風機運行監測控制系統經實際測試可在3 min內完成主備用風機自動切換操作，且單臺通風機啟停控制時間極短，滿足控制需求；在24 h連續運行狀態下，系統可對主通風機的各項運行數據進行動態測量與顯示，且各性能指標良好，實現了主通風機監測與控制智能一體化的設計。