礦用通風機在線監控系統的設計與研究

郭俊玲

（山西新安工程設計咨詢有限公司，山西 太原 030006）

引言

井下煤礦開采環境存在閉塞、易出現有害氣體聚集等情況，因此井下煤礦開采安全生產的前提是保證地面新鮮空氣源源不斷地輸入地下空間。通風機就承擔了往井下輸送新鮮空氣的責任，因此通風機設備的運行狀況直接關系到礦井生產的安全及企業的經濟效益。根據相關資料統計，煤礦安全事故中約占60%與礦井通風故障和操作管理不當有關，由此可見提高輸送機的可靠性具有重要意義。

由于井下設備眾多，人工管理起來非常復雜，很難做到對設備的實時巡檢。實時性、可靠性很不理想，具有很大的安全隱患。通風機在線監控系統的誕生就解決了管理難的問題，監控系統基于PLC 控制技術、無線通信技術、變頻控制技術等，實現對通風機的實時監測與控制，可實現24 h 不間斷地對設備的狀況進行監測與控制，減輕了工作人員的勞動強度的同時，極大地提高了設備的工作效率[1]。

1 礦用通風機

通風機雖然有較多的類型，但其基本結構與原理是相似的，礦井主通風系統一般設置有兩個通風口進行通風，兩個通風口互為備份，當一處的設備出現故障時，可以啟用另一處通風口。如圖1 所示為軸流式風機的一般結構，該型通風機能夠在煤礦生產企業中得到廣泛的應用，因為其具有較多的顯著優點。其主要結構特點是電動機軸承和風扇葉片軸承直接連接在驅動電機軸承上，這樣傳遞效率高，通風噪聲小，可以有效降低設備工作能耗[2]。

如圖1 所示，通風機集流器主要作用是收集進入通風機的氣體，使氣體通過通風機時更加平穩順暢；消音器的作用是降低通風機工作時產生的噪聲；整流罩可以改善空氣流動特性；電動機是通風機輸送氣體的動力來源；一、二級葉輪的主要作用是將驅動電機的旋轉動能轉化為空氣向前運動的動能，使得空氣被壓縮而具有更好的動能；擴壓器的作用是回收風機的動壓，使通風機的靜壓比例得以提高，改善空氣流通特性。

圖1 通風機結構圖

2 控制系統總體設計

控制系統的總體設計需要滿足一定的設計原則，同時要能夠實現對通風機的在線監測與控制，以某煤礦為研究背景，設計主通風機的變頻控制和在線監控系統，該通風機控制系統總體布置結構如圖2所示。該系統主要包括三層結構：第一層結構為檢測終端，主要是檢測設備狀態參數的各類傳感器；第二層結構設計為無線通信技術與信號交互設備，主要負責將采集到的信息傳遞至地面控制中心；第三層結構為中央控制計算機，主要負責對整個控制系統的信號顯示與設備控制等操作[3]。

圖2 礦井主通風在線監控系統結構

根據項目的實際需要，提出了通風機在線監測系統各項功能設計指標，總結如下：實現對主通風機速度的變頻控制功能；監測環境氣體參數；能夠對潛在危害實時報警；通風機驅動電機狀態監控與控制等。主通風機在線監控系統方案采用的是“集中式管理，分散式控制”的系統架構，實現對通風機的監測與控制[4]。

3 系統硬件設計

根據《煤礦安全規程》等相關的系統安全規范，井下監控系統采用了兩套獨立的供電系統；控制系統的硬件結構設計在滿足其自身功能的基礎上，力求具有更好的性能。下面對通風機監控系統的主要硬件結構的設計作簡要介紹：

3.1 變壓器

主通風機系統低壓配電柜的兩個獨立的電源是由2 臺變壓器組成，變壓器設計采用了寧德時代的R11-1000/6/0.4kV，變壓器工作容量為1 000 kVA。

3.2 PLC 控制器

系統中控制器是監控系統的核心，控制器的性能直接影響到控制系統的靈敏度及監控精度，該系統中設計選用德國SIEMENS 公司的SIMATICM6-240 系列PLC 控制器，該型PLC 控制器具有性能優越、穩定性好、操作簡單等優點，如圖3 所示，為SIMATICM6-240 系列PLC 控制器基本結構示意圖[5]。

圖3 PLC 控制器結構

3.3 變頻器

驅動電機的變頻器，設計選用寧德時代的ET70-45 型變頻器，該型變頻器長期以來在煤礦通風機領域都有一個較好的應用效果，該產品具有可靠性好、適應性強的優點，非常適用于進行環境。

其他設備硬件如瓦斯濃度檢測傳感器、礦用風速傳感器、通風機振動傳感器、參數的采集傳輸等設備的設計選型均滿足系統設計要求[6]。

4 系統軟件設計

軟件程序是控制系統的靈魂，對于整個控制系統而言，安全平穩可靠的軟件系統對保證整個控制系統的性能具有十分重要的作用。該系統在程序設計與編寫過程中，首先對整個礦井主通風控制系統的各項功能以及結構設計進行梳理研究，采用結構化編程，將各個功能子集化，最后將其集成到總的控制系統中。這樣既方便編程，又便于監控系統的管理與操作，將整個大的控制系統分解為許多子控制系統塊，子程序監測和控制具體的設備，可以節約較多的時間，實施起來也較容易，如圖4 所示為主程序與子程序結構設計關系。

圖4 軟件程序結構框圖

在系統工作時，主程序在執行過程中只是按照一定的邏輯調用每個子系統程序塊，從而實現整個礦井主通風系統的監測與控制，軟件結構清晰明確，當子程序出現問題時也可以及時進行修復，避免對全局造成影響。監控系統軟件及系統數據庫的建立均采用第三方專業程序編輯公司合作完成，編程軟件采用Siemens 公司的STEP8-Micro/WIN 軟件完成；監控系統數據庫的模型是基于SQL Server 創建。

5 系統功能的實現

在對系統的硬件與軟件等進行設計后，需對系統功能進行聯調、聯試，當上位機開啟并正常運行之后，就進入“監控主頁”，如下頁圖5 所示為通風機狀態監控系統監控界面。在監控頁面的菜單欄上，監控主頁與其他界面可以自由選擇切換，系統實時顯示通風機的狀態參數，并可顯示主通風系統關鍵參數如風量、電流、電壓、有害氣體濃度等，根據這些參數即可判斷通風機的狀態。

圖5 主通風機運行狀態監測界面

根據監控系統在主通風機監測畫面，系統很好地實現了對通風機數據的監控。通過實踐應用表明，系統整體達到了設計目標，為井下通風系統的設計提供了有力參考。

6 結語

礦用通風機是煤礦安全生產的重要保障，對于保證井下環境空氣安全起到了非常重要的作用，以某礦業公司通風機電控系統改造為背景，設計一套通風機在線監控系統，監控系統采用“分散控制，集中管理”的監控控制邏輯。在硬件設計方面，設計了合理的控制電路，并且對于PLC、變頻器等硬件的設計與選型作了簡要介紹；在軟件設計方面，利用Siemens 公司STEP7-Micro/WIN 編程軟件實現了下位機PLC 的程序設計，最后實現了對通風機的在線監控系統的設計。對監控系統各項功能指標進行檢測，均達到了設計要求，該系統的研發與應用，優化了礦井通風系統，提高了通風效率，對通風機監控系統的設計具有較大的參考價值。