基于MCGS井下通風系統安全監控系統設計與研究

張 強

（霍州煤電集團有限責任公司霍寶干河煤礦，山西 臨汾 041600）

在煤礦生產中，為保證井下作業人員正常作業，就必須有源源不斷的新鮮空氣輸入的通風系統。為了保證通風系統的正常運行，一般系統使用兩臺風機，可以實現切換。但是系統的工作效率較差，造成了很大的電力浪費，煤礦維修不到位、到期不維護以及帶故障運行的現象時有發生，同時監控方式較為落后，導致故障率較高，而且維修時間較長，對井下環境造成威脅。

為了保障井下的安全生產，急需設計一個通風系統的安全監測系統[1-4]，旨在實現系統運行的實時監控，維護保養的及時處理，延長設備的壽命，降低成本，營造一個安全生產的氛圍。

1 MCGS 組態軟件系統簡介

通風系統安全監測系統是基于MCGS 組態軟件衍生的，MCGS 軟件作為一款中文界面呈現的工業軟件，其由于操作便捷、穩定可靠等特性受到了大眾的歡迎。同時，軟件還有成熟的用戶界面，可以將監控結果實時地顯示在終端PC 上，便于人們去分析。MCGS 軟件的結構分布圖如圖1。

圖1 MCGS 組態軟件結構圖

MCGS 軟件是由組態環境與運行環境兩方面組成的。其中組態環境主要是用于與用戶相連接的部分，其可以通過實時數據來完成動畫的繪制、流程的梳理、報表的設計以及與相關設備形成互聯；運行環境則是對組態環境中形成的各種分析進行展示以及輸出，完成PC 端的實時顯示。

2 基于MCGS 的礦井通風機監控系統的總體設計

2.1 監控系統的總體設計目標

在對系統進行設計之前，首先應該明確安全監控系統的設計要求。該系統由于工作環境等影響使得監控的難度較大，如下為各個模塊的設計目標：

（1）實現通風系統的參數監測，通過傳感器實現參數的收集以及上傳。參數包括系統運轉過程中的溫濕度、壓力、振動幅度、工作效率等，旨在對系統進行合理的運轉評價。

（2）完成井下工作環境的監測。其主要通過氣體傳感器對井下工作環境中氣體濃度等進行監測與收集。

（3）實現系統的效率調節。借助對系統電壓的改變來調節系統的變頻器，進而實現系統運行效率變化。

2.2 系統總體方案設計

安全監控系統的總體設計圖，如圖2 所示。設計的安全系統是以MCGS 組態軟件為依托，配合傳感器實現安全監測功能，在過程中傳感器主要用來收集以及傳輸通風系統的參數信號。本系統主要是通過傳感器接收、輸出所監控通風機的各類信號，經過簡單分析整理后，上傳至PLC 測控系統，再依靠A/D、D/A 的相互轉換將收集的數字轉化為模擬量，通過控制系統電壓來調節通風系統功率，隨后再將信號通過MCGS 軟件傳輸至PC 端，實時顯示監控數據畫面。

圖2 系統總體設計圖

在安全監控系統中，最為關鍵的組成部分當屬井上的監控模塊，通過傳感器采集的數據經過處理最終以動畫或者報表的形式呈現的終端。監控系統的組成分布如圖3。一個完整的監控系統模塊，必須由系統管理模塊、設備管理模塊、數據管理模塊以及系統幫助模塊組成。

圖3 監控模塊分布圖

3 監控系統硬件的選型設計

3.1 傳感器的選型

在礦井通風機監控系統中，若想更好地實現系統的監控功能，需要通過傳感器來進行井下信號的采集。傳感器作為系統的基本組成部分，其性能的好壞會決定信號的精準性以及系統整體的分布。決定傳感器性能的關鍵參數有：分辨率、靈敏度、精確度、工作范圍、響應時間等。在本文所設計的安全監控系統中主要使用的是溫度、壓力的傳感器。

傳感器均勻地分布在井下的關鍵監控位置上，井下地質環境以及惡劣的采煤環境會對傳感器造成一定的影響，會影響傳感器的精確度以及靈敏度等參數。如圖4 為造成傳感器波動的外部環境，鑒于工作環境無法改善的現實情況，需要選擇可靠性較高、受井下環境影響小的傳感器使用。

圖4 傳感器外部影響因素

為了更好地實現安全監控系統的功能，需要對通風系統的溫濕度、開停機、氣壓等信號進行傳輸。參照上述影響傳感器的外部因素，在選型時必須選擇性能穩定、便于拆裝、響應時間短、準確性高的傳感器。通過查詢資料，對比不同傳感器在干擾下的傳輸效果，最終選擇性價比最高的PT100 傳感器、CP200 傳感器，另外還有關于井下空氣濃度收集的傳感器。

3.2 PLC 的選型設計

在PLC 控制器中，CPU 作為最核心的部件，有運算以及控制兩種功能，目前最常用的是六十四位處理器。PLC 的工作流程是傳感器將數據信號收集并上傳，PLC 在電源單元的支持下開始工作，通過識別輸入信號，將信號轉化為CPU 可識別的形式，由CPU 中的運算模組開始進行分析，分析完成后通過控制模組進行發號施令，同時將數據以及分析結果分到存儲器中，控制模組的命令將通過輸出單元傳遞到輸出設備即一線的傳感器或者通風系統，通過調節電壓等參數來進行系統參數的調節，完成PLC 控制器的一次工作。PLC 的結構示意圖如圖5。

圖5 PLC 的結構示意圖

為了匹配使用場景，本設計最終選定西門子57-300 型號的PLC 作為系統控制器。選擇此型號控制器的原因在于，首先該型號控制器屬于典型的模塊化結構，完全匹配系統中PLC 控制器使用；其次該控制器擁有很強大的分析功能，其運行速率快而且可靠性高，同時添加了故障診斷的模塊，能夠通過數據分析結果得出系統的故障所在；同時該控制器還具有強大的存儲功能，可以將PLC 各個模塊的數據變化全部記錄，有助于協助系統進行分析。

目前該系統已經在干河煤礦綜采1#工作面進行施工選材，預計2023 年初可以投入使用，按照目前規劃，預計信號傳輸時間節約30%，故障率降低60%，設備維修成本降低30%以上，同時節約人工。

4 結論

在MCGS 組態軟件系統的基礎上開發了一款通風系統的安全監控系統，通過改變傳統的監控網絡布置，經傳感器來獲取井下實時數據信息，再通過PLC 的處理，最終將數據實時傳遞到井上的監控PC端，通過數據的分析對比判斷各部件的運行狀態，實時監控使用情況，旨在第一時間處理異常情況，保障井下開采環境的安全，同時可減少維護更換設備的費用。