礦井主扇風機實時監測系統設計

李鵬飛

（山西長治三元晉永泰煤業有限公司，山西 長治 047100）

引言

礦井主扇通風系統設計是整個礦井設計內容的重要組成部分，是保證安全生產的重要措施。礦井總回風就是依靠主扇通風機的動力將新鮮空氣順著通風路線源源不斷地輸送到井下，以滿足采掘工作面、機電硐室、運輸巷道、倉庫等地點的需要，同時把帶著各種粉塵、有毒有害氣體、各種廢氣的渾濁空氣抽出到礦井外面。通風作為礦井“一通三防”的重要手段，一直都是礦井建設的首要工作，不論是從部門（通風處）設置，還是領導崗位（通風副礦長或者安全副礦長）設置，都能看出其重要程度。

隨著礦山開采年代的久遠，巷道長度不斷延伸，工作面數量不斷增多，井下巷道網絡變得錯綜復雜，對于礦井通風要求也就越來越高，從而更需要通風監測系統具備大規模節點監測以及遠距離數據通信的能力[1]。

物聯網技術在礦山領域不斷發展，實現智慧礦山建設的目標也越來越近，礦山安全監控系統技術在“十三五”期間得到了飛躍發展的機遇，這期間工業以太網技術、數字通信技術、先進傳感技術、遠距離供電和傳輸技術，以及抗干擾技術等都取得了突破性的提升。基于這些先進技術的發展，可以在工程應用上擴展到其他的領域，由此本文正是在礦井主扇風機的無人值守監測管理方面，提出了新的應用方案[2-3]。

1 主扇通風機監測系統的應用現狀

伴隨“中國制造”名片的打響，我國機械加工水平越來越高，礦井通風機的制造性能也實現了高質量的發展。以我國目前使用最廣泛的大型主扇FBCDZ 系列大型礦用防爆型主通風機為例，實際的運行最高裝置靜壓效率可達到86%，此種主扇的轉速范圍為730～2 930 r/min，抽出風量范圍為4.4～600 m3/s。其特點是：主扇通風機一、二級主機由兩臺電機及葉輪組成，每臺電機軸伸端直接安裝葉輪，兩葉輪互為反向旋轉，組成對旋結構。兩級葉輪既是工作輪又互為導葉，避免了傳統風機導葉部分和電機與葉輪之間傳動裝置的能量損失。因此對旋式主通風機可獲得較高的裝置靜壓效率和節能效果。

隨著主扇通風機技術的不斷提高，監測技術卻還停留在老舊監控技術的基礎上，傳感器大多數采用頻率信號傳輸，抗干擾風機變頻干擾能力也比較弱，還有主信號傳輸網絡采用傳統的基帶、FSK、ASK 等制式信號，傳輸速率慢，已經不符合目前智慧礦山建設的發展趨勢。目前用戶需要的主扇通風機監測系統必須是具有數字化傳輸，檢測數據全面，測量精準，抗干擾能力強，可與其他監測系統融合，具有大數據分析處理能力的特點。

根據《煤礦安全規程》的要求，主扇風機的主要性能需要每5 年進行一次測定，而在運行期間的主扇風機實時監測系統所有匯集的監測數據，對此次測定具有非常重要的參考價值。

2 系統設計方案

本文設計系統硬件框圖如下頁圖1 所示，系統由地面設備和井下設備兩部分組成，井下設備部分是由分布式檢測單元組成，由其完成采集各個被檢測節點的物理參數；檢測單元將檢測的物理量參數通過RS485 總線傳到綜合監控分站，監控分站起到傳輸、供電和控制作用，完成檢測數值的實時顯示，通過萬兆交換機組成的以太環網上傳監控主機并進行輸出控制；地面監控主機則是完成大數據收集、分析處理、數據管理、報表和曲線管理，通過互聯網交換機發送給其他數據服務器。當系統檢測到某個檢測值超過了安全閾值時，系統通過地面語音報警音箱發出相應情況的語音報警和光報警[4]。

圖1 系統框圖

系統具體的研究內容包括以下幾個方面：

1）傳輸性能方面：檢測單元通過RS485 總線型方式與監控分站進行通信，然后由監控分站主通信端口接入礦井的工業以太網環網平臺，最后上傳至主監控計算機，全程采用數字信號傳輸，符合數字礦山的建設要求。

2）供電性能方面：采用隔爆兼本安型監控分站，由監控分站自身的本安電源輸出為各個檢測單元供電，利用4 芯礦用電纜連接，省掉單獨電源供電的煩瑣，其他設備由非本安的交流電源供電。

3）檢測單元模擬量參數：利用風量（風速）傳感器、溫濕度傳感器、軸溫傳感器、壓力傳感器、振動傳感器、速度傳感器等檢測主扇風機運行的各項參數。

檢測傳感器部分采用數字式智慧傳感器，傳感器接通監控分站后，系統能自動識別出傳感器的類型、測量范圍、報警閾值、斷電值、傳感器地址等參數，并與之相匹配。

4）利用VC++平臺編輯的上位機軟件，實時顯示每臺風機的開/停運行狀態，風機工作電流、溫度、風量、轉速等監測數據，并保存在數據庫中，形成歷史大數據，再根據安全規程的要求和使用經驗，對某些測量節點進行安全閾值的設定。

3 系統硬件組成

3.1 多單元采樣技術

參照《煤礦安全規程》和《AQ 1029—2019 煤礦安全監控系統及檢測儀器使用管理規范》的要求，礦井的主通風機就有了如下的模擬量需要檢測。

1）在總回風巷道的測風站設置風壓差原理的風速風向傳感器，既可以檢測總回風巷道的風速（可換算成風量Q，計算見式（1），還可以監測出風的流動方向。如果條件允許，可以采用5 點采樣平均法的方式檢測風速。由于通風巷道內同一橫斷面上不同點的風速和風溫有很大的差異，所以對巷道測風站橫斷面5個點(東北、西北、西南、東南、正中)同時取樣，然后取其算術平均值作為該點的風速值。

式中：Q 為風量，m3/s；V 為風速，m/s；A 為巷道截面積，m2；T 為時間，s。

2）主通風機的風硐內應設置風壓傳感器，其采用的是電容式微差壓變送器，通過傳感器ARM芯片轉換成電信號輸出給監控分站。

3）每臺主通風機的電機需要安裝振動傳感器和速度傳感器，每個軸承安裝2 個電渦流傳感器測量軸振，1 個速度傳感器測量瓦振。

4）溫度檢測單元分為環境溫度和軸溫兩種，環境溫度可以采用DS18B20 測溫元件，軸溫傳感器采用PT100 鉑熱電阻檢測電機軸承的摩擦溫度，而且采樣點可以取多處，由溫度巡檢儀作為二次儀表進行采集和轉換。

5）最后在配置上監測風機運行狀態的開停傳感器和工作電流傳感器，以此可以實時監測到主扇風機的工作狀態和工作電流是否正常。

3.2 監控分站技術

井下隔爆兼本安型監控分站是通風監測系統的中樞，它是集成通信傳輸分站、斷電器、本安電源、聲光報警器于一體的綜合分站，主要承擔各種監測值采集和匯總通信傳輸處理、實時應急控制、本安直流電源供電、聲光報警、液晶顯示等責任。

監控分站的輸入端口采用了32 路RS485 通信接口，可以接入32 路各種模擬量和開關量信號數據，還可以通過開關量擴展器可以將1 路485 信號擴展出8 路0 mA、1 mA、5 mA 電流型（三態：故障/關態/開態）開關量信號。信號之間通過GP785 光電耦合器的隔離，消除了共模電壓影響，抑制了信道上的脈沖干擾信號，提高信噪比。

監控分站的CPU 是ARM單片機，通過多路選擇器（8 選1 開關）定時巡檢8 路信號，對匯總的數字信號進行處理，進而用得到的控制量去自動控制斷電器動作，從而實現對井下機電設備的工作控制。分站可以接入4 臺受8 路信號控制的斷電器。

監控分站的主通信采用了三種數字信號傳輸方式，分別是RS485 總線方式、TCP/IP 工業以太網電口傳輸方式、100 Mbit/s 光纖傳輸方式。前一種方式可以進行分站之間的級聯，節省交換機光纖接口的使用，后面兩種方式是接入礦井工業以太網環網的，并且傳輸距離均可達10 km 以上[5]。

監控分站可提供5 路24 V 本安獨立電源輸出，前4 路本安電源中每路電源可以提供給4 模4 開的本安設備使用，最高供電距離可達6 km 以上，第5 路電源是外接了4 臺斷電器，最高供電距離為2 km 以上。在外接交流供電斷開的情況下，最大供電時間可以達到5 h 以上。

3.3 交換機

作為通風監測系統而言，數據量其實并不大，單獨成立系統使用的時候，百兆交換機足以滿足需要，如果礦井已經建立起了千兆，甚至是萬兆級的工業以太環網的話，監控分站的主通信直接接入環網，也是可以的。

4 系統軟件設計

具體的通風監測系統軟件的結構框圖如圖2 所示，直接在Windows 10 環境下開發運行。上位機軟件是整個通風監測系統軟件的重要部分，主要完成人機交互、數據顯示和匯總處理，數據存儲，數據分析，實現控制受控設備的運行狀態。監測系統軟件由主程序模塊、通訊模塊和數據處理模塊3 部分組成，主程序模塊完成主界面總體展現、人機交互、打印查詢模塊調用以及測量控制等功能；通訊模塊完成數據接收和呼叫應答，與其他系統的應急聯動，以及下發由上位機軟件對監控分站進行的控制命令；數據處理模塊完成數據采集、數據存儲、大數據分析等功能。

圖2 軟件功能框圖

5 結語

本系統的設計能穩定可靠地監測到主扇通風機各節點溫濕度、風速、風壓差以及風機功率、主軸溫度、轉速、振動等參數，利用預設的安全閾值，實現傳感器、監控分站和地面語音報警器都將同時發出報警，有利于監控人員采取相應的措施，同時匯集的所有監測數據，形成運行狀態曲線，以備將來作為測定主扇性能的參考資料。此系統設計架構簡單、功能全面、操作方便、兼容性強，具有很強的可操作性和推廣價值。