礦用通風機遠程監控系統的工程應用研究

任寶瑞

（晉能控股煤業集團安全督查大隊， 山西 大同 037003）

引言

煤礦開采通常在地底下進行，期間會產生很多有毒有害氣體和粉塵等，會對煤礦生產安全構成嚴重威脅[1]。針對上述問題通常可以使用礦用通風機向井下通入新鮮空氣，同時將井下有毒、有害氣體和粉塵等排出，改善礦井環境，確保煤礦生產安全[2]。可見礦用通風機的穩定可靠運行在保障井下工作人員身體健康以及煤礦安全生產方面發揮著非常重要的作用。已有的實踐數據表明，煤礦安全生產事故中有70%以上是由于礦用通風機故障問題導致的[3]。基于此，有必要結合礦井實際情況對通風機的遠程監控系統進行設計與研究。利用監控系統對設備的運行狀態進行實時監測，為其穩定可靠運行奠定堅實的基礎[4]。

1 礦用通風機的結構概述

通風機是煤礦生產實踐中必不可少的機電裝備，目前市場上有多種型號和系列的通風機[5]。某煤礦中使用的FBCDZNo22/250×2 型通風機，屬于對旋軸流式通風機。此型號通風機葉片的直徑為220 mm，同時由兩部電機進行驅動，每部電機的裝機功率為250 kW，主機的旋轉速度可以達到980 r/min，可以提供的風量和風壓分別為65~122 m3/s 和1 628~4 350 Pa。如圖1 所示該型號通風機主要由進出口消音器、擴壓器、電動機、一級和二級葉片、整流罩、集流器等部分構成。實踐運行中容易出現故障問題的部位主要包括電機、葉片以及軸承等。因此，需要設計遠程監控系統對這些關鍵部位的運行狀態進行監測，以保障通風機能夠穩定、可靠運行。

圖1 對旋軸流式通風機結構示意圖

2 通風機遠程監控系統的整體方案

為了確保礦井安全，要求監控系統可以結合實際情況對通風機的運行狀態進行自動控制。當對通風量需求較小時可以開啟一級電機運行，對通風量需求較大時可同時開啟二級電機運行。通風機系統采用的是冗余設計，設置有主通風機和備用通風機，如果主通風機出現故障問題則能立即啟動備用通風機運行。

如圖2 所示為結合實際情況設計的通風機遠程監控系統整體方案框圖，方案整體上可以分為三大部分，分別為現場測量、基礎控制以及遠程監控管理。其中現場測量部分的作用是利用各種專業傳感器，對礦用通風機的運行狀態數據進行實時采集，比如電機運行溫度、電流、軸承溫度、設備振動狀態等；基礎控制部分主要由PLC 控制器及相關硬件設施構成，作用是對采集得到的數據信息進行實時分析，判斷通風機的運行狀態，同時與遠程監控管理部分進行連接；遠程監控管理部分的作用是與PLC 控制器進行連接，將接收到的數據進行分類存儲，同時通過監控大屏對通風機的運行狀態進行顯示。

圖2 通風機遠程監控系統整體方案設計

3 遠程監控系統主要硬件選型及工作流程

3.1 主要硬件設施選型

3.1.1 PLC 控制器

對于遠程監控系統而言，PLC 控制器是其中非常關鍵的硬件設施，因此必須確保其性能的可靠性。結合實際情況本文選用的是西門子公司研制生產的S7-200 系列PLC 控制器，該型號控制器在工業應用中有非常好的效果[6]。其具有體積小、功耗低、運行可靠性和靈活性好等優勢，更重要的是具有非常豐富的輸入和輸出接口，完全可以滿足本系統的實際使用需要，因為本系統中的控制器需要與多個傳感器進行連接。如圖3 所示為S7-200 型PLC 控制器的主要構成部分。

圖3 S7-200 型PLC 控制器的主要構成

PLC 控制器采用的是模塊化設計，即整個硬件設施由不同的模塊組裝而成，其中CPU 是最為重要的模塊，選用的型號為226CNAC/DC/RLY，擁有的數字量輸入和輸出的接口數量分別為24 個、16 個。其中數字量輸入和輸出接口模塊的型號依次為EM221 CN DC 和EM222 CN RLY。另外，還包括以太網模塊實現與上位直接機之間的連接，具體型號為CP243-1。

3.1.2 關鍵參數監測

遠程監控系統需要監測的狀態數據主要包含兩方面，其一為通風機系統設備的工作狀態，包括電機的功率、電壓、電流，風機的關鍵部位溫度、振動狀態等；其二為井內的風量、風壓、瓦斯濃度等環境參數，以便風機可根據實際情況對工作狀態進行調整。主要基于斯達森SMT18N2 型智能交流綜合電量模塊對風機系統運行時的功率、電壓和電流等信息進行監測，利用XZD-YB 型振動傳感器對設備的關鍵部位振動信息進行監測，利用PT100 熱電阻對相關溫度進行監測，利用GPD0.1F 型壓力傳感器對通風機的風壓進行監測，利用KGJ15 型瓦斯濃度傳感器對礦井內部的瓦斯濃度進行監測，利用GFW15 型風速傳感器對通風機的風速及風量進行監測。以上監測裝置均屬于本質安全型，能保證在礦井復雜工作環境下的安全性。

3.2 主要工作流程

如圖4 所示為礦用通風機遠程監控系統的主要工作流程圖。由圖4 可知，系統開始工作后，需要對監控系統中所有的硬件設施進行初始化處理，判斷是啟動主風機還是備用風機。確定啟用主風機后，對風門進行控制將其開啟，結合實際情況選擇單級或者雙級模式。然后利用各種傳感器對通風機系統的運行狀態進行監測，如果各項狀態數據均正常，則繼續使用主風機。如果監測發現主風機存在故障問題，則會立即啟用備用風機，同時監控系統中向外發出警報，以提示工作人員及時對出現的問題進行排除。

圖4 通風機遠程監控系統主要工作流程圖

基于以上通風機遠程監控系統主要工作流程，能有效保障通風系統運行過程的可靠性和穩定性，為煤礦安全生產奠定堅實的基礎。

4 遠程監控系統的工程應用研究

將以上設計的遠程監控系統部署到某煤礦中使用的FBCDZNo22/250×2 型通風機上，并對其實踐運行效果進行連續三個月的現場測試。結果發現，在整個測試期間監控系統運行良好，各項功能均能夠正常實現，特別是可以對通風機運行中的振動及溫度等狀態信息進行實時顯示。數據信息的傳輸速度也相對較快，基本可以滿足實時性的基本要求。針對通風機系統中的每個關鍵點，監控系統中都設置有安全閾值，一旦監測發現關鍵點的實際狀態數據超過了安全閾值，會立即向外發出警報，同時在通風機運行監控界面中也會給予對應的提示。當故障排除后，需在界面中進行操作才能消除故障提示。如下頁圖5 所示為通風機遠程監控系統運行主界面。

圖5 通風機遠程監控系統運行主界面

經過現場測試，驗證了通風機遠程監控系統運行的穩定性和可靠性。經過初步統計分析認為，此監控系統的成功實踐應用，可以使通風機系統的運行故障率降低20%以上。不僅可以為煤礦企業節省一部分設備維護保養成本，同時可為煤礦安全生產奠定堅實的基礎，獲得了煤礦現場人員和相關技術人員的一致好評。

5 結語

以某煤礦中使用的FBCDZNo22/250×2 型對旋軸流式通風機為研究對象，對其遠程監控系統進行了設計和研究，并將其應用到工程實踐中。遠程監控系統可以分為三大部分，分別負責設備和環境狀態數據信息的采集、分析以及管理。系統中的PLC 選型為S7-200 型，具有良好的實踐應用效果，對系統中應用的主要專業傳感器以及工作流程進行了簡要介紹。工程實踐結果表明，設計的遠程監控系統具有很好的效果，能及時發現設備運行中存在的安全隱患和故障問題，為煤礦企業的安全生產提供了堅實的保障。