主通風(fēng)機(jī)工況監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)研究

馬芳芳

（西山煤電西曲礦機(jī)電科外維隊(duì)，山西 古交 030200）

為了掌握礦井主通風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，國內(nèi)許多科研院所和大學(xué)研究和生產(chǎn)了相應(yīng)的監(jiān)測裝置和配套軟件，提高了礦井主通風(fēng)機(jī)的安全性和可靠性，取得了很大技術(shù)進(jìn)步[1-2]。目前礦井主通風(fēng)機(jī)工況監(jiān)測和報(bào)警系統(tǒng)存在監(jiān)測方法單一、管理不夠規(guī)范等問題[3-5]。基于上述問題，本文研究了基于ARM 控制器的主通風(fēng)機(jī)工況監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)，能解決上述問題。

1 監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

礦井主通風(fēng)機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由監(jiān)控對象、信號采集、信號轉(zhuǎn)換和人機(jī)界面等部分組成。監(jiān)測對象包括主通風(fēng)機(jī)、開關(guān)柜、風(fēng)門和變頻器。信號采集部分主要包括各類傳感器、測量回路和控制回路等，根據(jù)系統(tǒng)要求，將各個(gè)監(jiān)控對象的工作狀態(tài)和工作參數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號，通過信號轉(zhuǎn)換電路或ARM 控制器發(fā)送給人機(jī)界面部分。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)原理

（1）通風(fēng)機(jī)的監(jiān)控參數(shù)。包括電機(jī)繞組溫度、風(fēng)壓、電機(jī)軸承振動(dòng)，溫度傳感器輸出的電信號通過溫度測量模塊直接發(fā)送至人機(jī)界面，不經(jīng)過ARM 控制器處理。壓力傳感器、振動(dòng)變送器和變頻器的頻率信號都是模擬信號，通過模擬量輸入模塊輸入給ARM 控制器。

（2）開關(guān)柜的測量回路。包括開關(guān)的電流和電壓信號，通過電量測量模塊發(fā)送給人機(jī)界面。開關(guān)柜的開關(guān)量信號、風(fēng)門的限位開關(guān)和變頻器的開關(guān)量信號通過開關(guān)量輸入模塊輸入給ARM 控制器。ARM 控制器的開關(guān)量輸出模塊輸出對開關(guān)柜、風(fēng)門和變頻器的控制信號，這些控制信號通過中間繼電器進(jìn)行功率放大，從而驅(qū)動(dòng)控制回路或者電機(jī)進(jìn)行動(dòng)作，使被控對象發(fā)生相應(yīng)的狀態(tài)變化。變頻器通過ARM 控制器的模擬量輸出模塊輸出的頻率指令改變其輸出頻率。

（3）人機(jī)界面。主要包括上位機(jī)、調(diào)度中心客戶端和打印機(jī)等。上位機(jī)通過232/485 接口和以太網(wǎng)接口與測量模塊和ARM 控制器通信，接受各類信號和數(shù)據(jù)，并應(yīng)用工業(yè)組態(tài)技術(shù)，將上述所有信號和數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，工作人員可通過直觀的界面掌握現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，做出相應(yīng)的控制。

2 監(jiān)測電路設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)壓風(fēng)量監(jiān)測電路

在主通風(fēng)機(jī)的控制中，風(fēng)量和風(fēng)壓與風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)直接相關(guān)，因此這兩個(gè)參數(shù)的采集十分重要。礦井的環(huán)境具有濕度大、灰塵多的特點(diǎn)，對風(fēng)量和風(fēng)壓的測量帶來了較大難度。風(fēng)量和風(fēng)壓測量的原理如圖2 所示，由于集流器的存在，1-1 截面和2-2 截面的氣壓不同，通過在風(fēng)道的兩個(gè)截面安裝安全閥取得這兩個(gè)截面的氣流壓力，應(yīng)用壓差變送器采集靜壓和全壓，然后通過機(jī)械流體力學(xué)原理計(jì)算出風(fēng)量，計(jì)算所得的風(fēng)量信號轉(zhuǎn)化為電信號后，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換，輸送給ARM 控制器的數(shù)字量輸入模塊。

圖2 風(fēng)量和風(fēng)壓測量原理

2.2 振動(dòng)信號監(jiān)測電路

通過設(shè)計(jì)振動(dòng)信號監(jiān)測電路，將電機(jī)軸承的振動(dòng)信號采集下來，并且經(jīng)過控制器的計(jì)算，在時(shí)域和頻域等方面進(jìn)行分析，如果出現(xiàn)故障異常信號，則對主通風(fēng)機(jī)電機(jī)發(fā)出停機(jī)指令，避免電機(jī)燒毀。SLM 四通道振動(dòng)變送器在故障監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，這款傳感器將電機(jī)軸承的位移、速度和加速度等物理量采集下來，在內(nèi)部轉(zhuǎn)換為4～20 mA 的標(biāo)準(zhǔn)電信號，然后經(jīng)過電流電壓變換電路處理，作為ARM 控制器的模擬量輸入信號。ARM 控制器內(nèi)部可以對振動(dòng)信號進(jìn)行數(shù)字濾波，以期獲得更加真實(shí)的振動(dòng)規(guī)律，控制器內(nèi)的程序設(shè)定了時(shí)域和頻域相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)的報(bào)警值，如果電機(jī)振動(dòng)信號有參數(shù)超過報(bào)警值，則發(fā)出電機(jī)振動(dòng)異常信號。

2.3 瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測電路

瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測電路主要采用紅外氣體傳感器MH-440V/D，這款傳感器采用非色散紅外原理對周圍瓦斯進(jìn)行探測，不依賴氧氣環(huán)境，具有較高的選擇性，可應(yīng)用于可燃性和爆炸性氣體的場合。這款傳感器工作電壓為5 V，輸出信號范圍為0.4～2 V，工作模式可以選擇數(shù)字式或者模擬式，采用數(shù)字方式時(shí)VCC 端接5 V 工作電源，GND 接電源地，RXD 接控制器的TXD，TXD 接控制器的RXD，控制器可以通過RART 接口直接讀出瓦斯?jié)舛戎?，無需計(jì)算。采用模擬方式時(shí)VCC 端接5 V 工作電源，GND 接電源地，Vout 端接控制器的輸入端，傳感器經(jīng)過自檢和預(yù)熱后從Vout 端輸出表征瓦斯?jié)舛鹊碾妷褐担?.4 V 電壓表示瓦斯?jié)舛葹?，2.0 V 表示瓦斯?jié)舛葷M量程。

表1 主通風(fēng)機(jī)工況監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)用前后對比

3 系統(tǒng)應(yīng)用和效果

3.1 對傳感器信號濾波

被監(jiān)測設(shè)備大部分時(shí)間都處在正常運(yùn)行的狀態(tài)，主通風(fēng)機(jī)工況監(jiān)測和報(bào)警裝置能正確反映被監(jiān)測設(shè)備的信號和數(shù)據(jù)。在被監(jiān)測設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可能發(fā)出報(bào)警信號和停機(jī)指令，直接影響礦井的安全生產(chǎn)。因此，對于故障判別和停機(jī)指令的控制回路準(zhǔn)確度要求很高。主通風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，各類傳感器都處在振動(dòng)、噪音和氣流的惡劣環(huán)境中，傳感器的輸出回路中會(huì)產(chǎn)生干擾電流，因此在信號傳送給控制器之前要進(jìn)行充分的濾波，提高數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。

3.2 采用故障預(yù)判邏輯

在控制器程序內(nèi)部，對收集到的主通風(fēng)機(jī)狀態(tài)和數(shù)據(jù)進(jìn)行故障判別時(shí)，為了提高故障判斷的準(zhǔn)確性，將故障判斷模塊分為兩部分。第一部分是狀態(tài)和數(shù)據(jù)符合預(yù)設(shè)故障類型的情況。在這種情況下控制器收集到的數(shù)據(jù)符合預(yù)設(shè)故障類型，直接做出相應(yīng)故障的判定，可以直接發(fā)出信號和停機(jī)指令，這種情況的可靠性較高。第二部分是狀態(tài)和數(shù)據(jù)不符合預(yù)設(shè)故障類型的情況。這種情況進(jìn)入故障預(yù)判斷模式，可以應(yīng)用與預(yù)設(shè)故障類型相似的邏輯進(jìn)行預(yù)判，并結(jié)合程序設(shè)計(jì)的專家系統(tǒng)進(jìn)行故障判斷。這種情況的可靠性較低，因此可以設(shè)定發(fā)出報(bào)警信號而不停機(jī)，等待工作人員確認(rèn)后處理，可以提高系統(tǒng)的可靠性，避免因誤判斷而導(dǎo)致的頻繁故障停機(jī)。

3.3 應(yīng)用效果分析

西曲礦在本系統(tǒng)應(yīng)用之前，主通風(fēng)機(jī)、開關(guān)柜、風(fēng)門和變頻器之間相互獨(dú)立，只有各自的保護(hù)裝置。主通風(fēng)機(jī)裝有電機(jī)保護(hù)控制器，開關(guān)柜裝有保護(hù)測控一體的裝置，風(fēng)門無保護(hù)裝置，變頻器裝有獨(dú)立的保護(hù)裝置。上述系統(tǒng)平均每月故障發(fā)生5 次，且整個(gè)系統(tǒng)在故障發(fā)生后才能進(jìn)行檢修，影響生產(chǎn)效率。西曲礦應(yīng)用礦井主通風(fēng)機(jī)工況監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)后，所有設(shè)備的狀態(tài)集中顯示與控制，降低了故障發(fā)生頻率，平均3 個(gè)月才發(fā)生一次停機(jī)故障，且可以準(zhǔn)確識別各類故障，準(zhǔn)確率達(dá)到95%以上。

4 結(jié)語

通過分析礦井主通風(fēng)機(jī)工況監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并給出了風(fēng)量、風(fēng)壓、振動(dòng)和瓦斯等參數(shù)的監(jiān)測電路設(shè)計(jì)思路，對系統(tǒng)在應(yīng)用中的問題和應(yīng)用效果進(jìn)行了總結(jié)。礦井主通風(fēng)機(jī)工況監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)提高了主通風(fēng)機(jī)的可靠性和檢修效率。