矿井主通风机实时监控系统的设计

高盼峰

（西山煤电官地矿机电科机维队，太原 030022）

0 引言

矿井通风机是煤矿安全生产过程中重要的通风设备，具有不可或缺的作用。通风机一般有两种，一种为对旋轴流式通风机，另一种为实离心式通风机，在煤矿实际生产过程中，对旋式通风机应用较为广泛[1-2]。煤矿主通风机的作用是将矿井的粉尘、瓦斯等有害、有毒气体及时排出，并输送新鲜空气来保障矿井安全，其安全可靠的运行直接关系到煤矿的生产效益。然而，由于通风机长期处于复杂恶劣的工作环境，出现故障的概率较大，当出现故障时，无法实现对故障的及时排查和精确定位，这对通风机系统的使用寿命以及煤矿的安全生产都有很大影响；同时，传统的通风机长期工作在全功率控制方式下，耗能大[3]。为了提高通风系统的可靠性与稳定性，减少耗能，本文设计了一套矿井通风机远程监控系统，工作人员可在监控室中对通风机进行状态监测与控制。

1 煤矿主通风机实时监控系统总体方案

煤矿主通风机实时监控系统的总体方案如图1所示。整个系统由远程监控计算机、传感器检测单元、PLC控制单元、声光报警装置、主通风机运行系统等组成。其中，传感器检测单元由各类矿用检测传感器组成，主要负责检测通风机风压风量参数、电参数、轴承振动参数、矿井大气环境参数等；PLC控制单元主要负责接收传感器的检测信息，对其进行处理进而上传给上位机，同时将上位机的控制指令向下传达，对风机运行状态进行控制，起着承上启下的作用；声光报警装置主要用于在监控系统监测到故障情况时实现预警功能，提示现场工作人员；主通风机运行系统由对旋式通风机、变频调速系统以及相关机电设备组成，主通风机采用变频调速控制方式，通过传感器检测信息，可针对性地改变风机的工作状态，系统可以根据井下风量的要求，通过调节变频器的转速达到调节风速的目的；上位机监控系统配有组态软件来完成现场采集数据的实时显示、存储、打印、报警功能，对矿井通风机进行远程监控。

图1 煤矿主通风机监控系统整体方案设计

2 硬件方案设计与选型

2.1 PLC控制单元选型

为适应煤矿复杂恶劣的工作环境，同时将系统所需求的模拟量、数字量、开关量实时采集并上传给上位机，根据系统所要实现的功能需求，本文选取西门子公司的S7-300 PLC作为主控制器。S7-300 PLC是一类模块化的控制单元，可由多种模块以不同的方式组合来实现各种功能，完全满足通风机监控系统的性能要求[4]。PLC中央处理单元选用型号为CPU314，根据井下采集量的实际需求，对数字量和模拟量的输入输出模块进行扩增，分别增加2个型号为SM321的16入数字量输入模块、1个型号为SM322的32出数字量输出模块、1个型号为SM331的8路模拟量输入模块、1个型号为SM331的4路模拟量输出模块。

2.2 传感器采集单元选型

传感器检测单元由各类矿用精密传感器构成，负责实时监测通风机在工作过程中的各种参数，包括通风机性能参数以及电机电参数，为此对部分传感器进行适当选型。

（1）振动传感器。选用型号为TMS-HZD的振动变送器，可以直接与PLC控制单元连接，垂直或水平地安装在被测振动点，用以监测风机振动参数。

（2）温度传感器。选用RWB系列的PT100热电偶温度变送器，将其安装在电机定子和风机轴承处，测量精度高，可靠性好。

（3）压力传感器。选用型号为JYB-DW-A的微差压变送器，将其安装在风机入口，可以测得静压、全压、动压等压力值信号。

（4）风机启停传感器。选用型号为SG4KGT9的开停传感器，该传感器功耗低、安装使用方便，可与本文的监控系统配套使用，将检测到的设备启停信号转换为各种标准信号传输给PLC控制单元[5]。

2.3 变频调速控制系统选型

根据对通风机风量、转速、功率三者关系的研究得出：当改变通风机转速时，此时通风机的输入功率也发生了变化，这样可以实现节能[6]。想要实现上述目标，需要加入变频调速系统。变频调速系统采用交—直—交变频方式，由主电路和控制电路组成。根据实际需求，本文选用了三菱公司生产的FR-E500系列高性能通用型变频器，该变频器具备瞬间停电再启动运行功能，支持15种速度选择，参数修改以及对其的监控实现都可以直接通过PLC控制单元实现。

3 系统软件

3.1 下位机监控程序

对应于S7-300 PLC控制器，系统采用STEP编程软件，并使用梯形图语言进行程序编写[7]。在程序结构设计上采用了模块化的设计思想，根据监控系统所要实现的功能要求，将程序划分为多个子程序模块，每个子程序实现一个具体的功能，并由主程序采用自上而下的方法在逻辑上进行调用。子程序模块主要包括风机启停程序、风机变频倒机程序、超限声光报警程序、模拟量采集程序等。故障预警在监控系统中扮演很重要的角色，本文将声光报警程序与模拟量采集程序相结合，并设置了超限报警程序，若检测的各类参数值超过预先设定好的阈值，就会启动报警程序，用以监控通风机性能参数以及环境参数的变化，同时进行故障诊断和排除。本系统通风机工作状态下主程序流程框图如图2所示。

图2 通风机工作状态下主程序流程框图

3.2 上位机软件

为实现对煤矿整个通风机系统的监控，采用组态王技术设计了上位机监控软件。该监控软件可以直接与PLC控制单元实现远程对接，各类矿用传感器采集到通风机的性能参数和电参数之后，可通过PLC分析处理上传到监控软件界面，对风量、风压、风机轴功率、转速、电机温度、轴承温度等参数实现曲线和报表输出。同时，工作人员在监控软件上可以对通风机进行操作控制，包括实现风门开关、风机启停、风机正反转以及风机的变频调速[8]。上位机监控软件设计界面如图3所示。

图3 上位机监控软件设计界面

4 结束语

本文基于计算机技术、PLC控制技术、变频调速技术、组态王技术、传感器检测技术等，提出了一种新型的通风机远程监控系统。该系统可实时地对通风道的风速、风量、风压等环境参数，通风机轴承温度、电机定子温度、噪声、振动等性能参数实现采集、分析处理、保存、实时显示，并进行故障预警，同时系统可以自动调整风机的运行状态或者进行故障排除。该系统经过现场测试，达到了预期目标，大大提高了煤矿通风机系统的自动化管理水平。