煤礦主通風機在線監控系統設計與應用研究

秦智明

（寧武縣應急管理局，山西 忻州 036700）

引言

煤炭作為推動我國經濟發展和科技進步的重要能源之一，近年來的需求量逐年增大，極大地推動了煤炭事業的發展[1]。眾所周知，煤炭掘進基本是處于井下綜采工作面內部，工作環境惡劣、環境因素復雜，不僅存在高濕度、高粉塵濃度等，還存在較多的有毒有害氣體，表現極為突出的就是瓦斯，不僅易燃易爆，還威脅井下工作人員的安全及企業的正常生產，備受各界的廣泛關注[2-3]。通風系統作為井下空氣的交換樞紐，負責排除井下有害氣體，輸送新鮮空氣進入井下，保證了井下作業的安全與人員安全。主通風機作為實現通風系統功能的主要設備，其工作的可靠性至關重要，尤其是控制系統，必須穩定可靠方才保證其正常運行。因此，針對某煤炭企業主通風機工作能耗高、故障停機頻繁等問題，基于其現有控制系統，開展在線監控系統設計與應用研究意義重大。

1 監控系統結構

基于煤礦主通風機原有的控制系統，設計了以工業控制計算機為核心的監控系統，監控系統結構組成如圖1 所示。由圖1 可以看出，監控系統中圍繞工業控制計算機配套了傳感器、變送器、控制器等設施，將編制完成的控制程序導入監控系統工業控制計算機中，運行程序即可完成主通風機實時參數數據的采集、分析、處理和存儲等功能。與此同時，為了方便主通風機監控人員獲取參數變化情況，監控系統以圖表的形式實時顯示運行參數數據。監控系統還能夠實現主通風機的遠程監測與啟停控制，不需要現場操作人員即可完成主通風機的控制，根據實時監測得到的井下環境因素數據，實時調整主通風機的送風量，實現節省電能消耗的目的。

圖1 監控系統結構組成

2 硬件設計

2.1 傳感器選型

監控系統中溫度傳感器主要用于采集主通風機軸承和電機定子繞組的溫度，結合主通風機實際工作情況選擇了型號為Pt100 鉑熱電阻傳感器；風壓傳感器的作用是對主通風機內部流經的風壓大小，及局變環節壓差進行監測，確定的傳感器型號為SMP2088；振動傳感器選擇型號為YY950 型振動傳感器，用于監測主通風機垂直方向中各自的振動數值，之后轉變為電信號，傳輸至控制器。

2.2 PLC 選型

控制器選擇的是PLC，即可編程邏輯控制器，其不僅具有較強的數據分析處理能力，而且環境適應性較好，根據監控系統設計的功能要求，選擇了西門子生產的S7-300 系列PLC，具有數據處理能力大、實時性好等優點，配置了型號為6ES7331-7KF01-0AB0 型模擬量輸入模塊和4個型號為6ES7332-5HD01-0AB0 模擬量輸出模塊。其他配套模塊情況如下：開關量輸入模塊型號為6ES7321-1BL00-0AA0、開關量輸出模塊型號 為 6ES7322-1BH01-0AB0、配置了型號為PS-307-1KA01-0AA01 的電源模塊和型號為CPU 315-2 DP 的CPU 模塊。

2.3 上位機系統

監控系統的上位機核心部件為工業計算機，要求具備實時監測數據的處理、顯示、歷史數據查詢等功能，工控機作為近年來工業領域應用極廣的設備，具有抗干擾能力強、配置靈活等優勢，滿足監控系統的設計要求，此處選擇研華工業計算機作為上位機。與此同時，上位機數據顯示選擇24 英寸LED 顯示器，配置惠普打印機及漫步者音響，為了保證監控系統掉電之后具備正常工作的功能，特意配置UPS 備用電源1 臺。

3 軟件設計

根據上述硬件結構設計選型的結果，確定了監控系統核心控制器件為西門子的S7-300 系列PLC，上位機選擇的研華工控機，要想完成主通風機運行參數的實時監測與控制，確保主通風機工作在合適的參數范圍之內，要求系統能夠實時完成采集數據的分析處理。監控系統數據分析處理功能主要由PLC 完成，其程序編制至關重要，此處選擇STEP 7 編程軟件，上位機數據顯示界面的程序編制需要較為專業的軟件，此處選擇的是DIP8011 軟件。

3.1 PLC 控制程序

根據主通風機監控系統設計功能要求，采用STEP 7 編程軟件開展PLC 控制程序流程設計，如圖2 所示。由圖2 可以看出，監控系統主程序運行之后首先進行上電清零，消除先前斷電等造成的故障信息；根據監控人員的要求確定是否進入監控狀態，之后調用控制系統子程序，包括上位機顯示、風機啟動和數據采集等；之后調用模擬量數據采集子程序，轉化成電信號之后傳輸至控制器中進行分析處理，確定主通風機運行參數是否出現超限情況，如果存在超限問題發出報警信息，若未出現參數超限情況，則將響應的數據信息顯示在上位機中。若最初為啟動監控系統，則PLC 等核心控制模塊均不啟動，結束主程序。

圖2 監控系統主程序

3.2 通信配置

運用SIMATIC NET 軟件開展主通風機監控系統上位機與PLC 之間的通信設置，首先配置工控機的硬件架構，打開軟件選擇Station Configuration Editor配置窗口，配置OPC Server，添加S7-300 系列PLC 并分配PROFIBUS 參數，地址設置為2，波特率設置為1.5 Mbit/s。在Station Configuration Editor 配置窗口進入Access Point 界面，將S7ONLINE 指向PC internal（Local），即完成二者之間的通信配置工作。

3.3 上位機

上位機作為煤礦主通風機監控系統的重要組成部分，其承擔著實時顯示主通風機運行參數的任務，供主通風機監控人員實時掌握主通風機運行情況，同時，監控人員也可以通過上位機遠程控制主通風機的啟停和參數設置等。根據主通風機監控系統功能及要求，完成了上位機主界面的設計。主界面工作時能夠直觀地觀察到主通風機的性能參數、振動參數、電機溫度參數等的實時數值，具有報警提示功能，便于監控人員及時發現故障及故障位置。同時，主界面中也能夠顯示主通風機的控制狀態，包括主通風機的運行狀態、變頻情況、控制模式、風門狀態等，通過指示燈顏色變化表示狀態是否正常。

4 應用效果分析

為了驗證主通風機監控系統設計的可行性和效果，將其應用于某煤炭企業進行試運行，跟蹤記錄監控系統的運行情況。結果表明，主通風機監控系統運行穩定可靠，實現了主通風機的變頻控制和遠程監控功能。相較于主通風機原有控制系統，監控系統的引入，節省了企業單臺主通風機季度耗電量約12%，遠程監控系統實現了主通風機的無人值守，節約了2～3名設備操作人員，同時，故障報警系統的存在，降低了主通風機近8%的故障排除時間，保證了主通風機的工作可靠性，取得了很好的應用效果。

5 結語

主通風機作為煤炭綜采工作面正常生產運行的關鍵設備之一，其工作的可靠性要求較高。針對某煤炭企業主通風機工作能耗高、故障停機頻繁等問題，基于其現有控制系統，開展了主通風機在線監控系統設計。結果表明，該系統運行穩定可靠，實現了主通風機遠程監控、運行節能可靠的目的。監控系統的應用，單臺主通風機季度耗電量約12%，實現了主通風機的無人值守，節約了2～3 名設備操作人員，故障報警系統的應用，降低了主通風機近8%的故障排除時間，保證了主通風機的工作可靠性。