矿井主通风机运行监测系统设计与研究

王玉豪

(西山煤电(集团)有限责任公司 通风部，山西 太原 030053)

0 引言

矿井主通风机作为煤矿中最重要的通风设备，又被称为“煤矿之肺”，主通风机的可靠运行是保证煤炭开采作业正常安全进行的必要前提[1，2]。由通风机为主要设备所构成的煤矿通风系统的主要任务是向井下运送新鲜空气，并控制井下有害气体、瓦斯及粉尘的浓度，如果通风系统发生故障，将会给井下生产作业带来严重的安全隐患[3]。因此针对通风机建立一套安全、可靠、智能的监测与控制系统对提高煤炭生产的效率和安全性具有重要意义。

我国早期煤矿通风系统的供电方式大多采用单电源回路，系统的结构过于简单，可靠性低下，时常发生意外断电断风等问题，极易造成井下有害气体或粉尘浓度急剧增大，给井下煤炭开采作业带来十分严重的安全隐患；同时相应的监控系统在通风环节出现意外时无法保证故障信息的及时上传，风机运行参数的监测精度及响应速度普遍低下，无法实时掌握主通风机的运行状态，且风机的控制操作繁琐复杂，无法在主通风机出现故障被迫停机时及时切换至备用风机保障井下通风，不能满足目前煤矿智能化监控的需求。虽然目前国内已对矿井通风测控系统进行了大量的研究及改进，但由于国外对先进通风监控设备及技术的垄断，导致我国煤炭开采智能化的发展受到严重制约[4]。

针对上述问题，本文提出了一种基于PLC的矿井通风机智能监测系统，采用PLC控制技术实现井下主通风机高效控制与在线监测一体化，详细描述了系统的硬件构成与软件设计，对于提高井下通风设备监测与控制智能一体化具有一定指导意义。

1 系统总体设计方案

1.1 系统架构

通风机运行监控系统采用模块化方式构建，系统总体结构如图1所示。由图1可知，系统的控制对象为一主一备两台矿井通风机，两台通风机在运行时互为备用，通风机结构均为对旋轴流式，可在低功耗条件下实现风量、风压的高效灵活调节。通风机的工作方式选择最普遍的抽出式，将两台通风机置于回风井口，通过通风机运行时对回风井口所产生的负压来实现空气的交换。

图1 系统总体结构图

本系统按照功能可划分为PLC控制模块、上位机监控模块、远程调度模块、风机驱动控制模块和运行参数采集模块五部分。以PLC S7-300为核心的控制模块是整个监控系统的中枢，用于上传下达传感器采集到的各类通风机运行参数并根据控制要求对通风机运行状态进行调整和监测，主站PLC与从站PLC采用RS485进行通讯；上位机监控模块用于实时显示风机的状态参数并下达各类操作指令；远程调度模块为系统提供数据服务器，用于远程测量和记录通风机的运行状态[5]；风机驱动控制模块主要由变频器、电动机和相应的控制柜组成，用于实现通风机的供电及PID控制；运行参数采集模块主要用于主通风机风量、风压、绕组温度、风机振幅及电参数等运行参数的采集和上传。

1.2 系统控制原理

图2为通风机运行监控系统结构原理图。由图2可知，整个监控系统采用负反馈控制结构，当系统运行时，首先由上位机系统向PLC发送开机指令至变频器并通过电动机带动通风机启动；在主通风机运行过程中，运行参数采集模块中的各类传感器会将风机运行时的风量、风压等参数收集并传输至PLC中；当上位机接收到由传感器采集的信号时，由上位机系统进行分析计算，并向PLC输出PID调节信号；此时PLC将上位机系统传输而来的控制信号经D/A转换为变频器可识别的标准电信号，从而实现变频器的频率调节及启停控制，并进一步调节电动机的电压和频率实现对通风机的转速控制。当管道内风量及风压过大时，通过该闭环负反馈控制系统即可向变频器输出相应信号将输出降低，从而降低通风机的电压与频率，缓解管路系统的风量与压力，反之同理。通过该闭环负反馈控制系统实现井下通风量自动调节并维持到合理数值，保障井下作业的安全。

图2 通风机运行监控系统结构原理图

2 硬件方案设计及选型

该监控系统的核心部分主要为三个主从站PLC、用于现场运行参数采集的各类传感器、用于标准信号转换的各类变送器以及用于监测保护的综保装置，上述核心硬件设备的合理选用是保证系统控制及采集参数可靠性的关键，因此需要进行合理选型。PLC在选型时不仅要考虑处理器的计算速度、存储容量及接口数，还需要综合考虑成本及适应性。本系统选用西门子S7-300可编程控制器，其结构设计紧凑，运算速度达0.1 μs～0.6 μs，并且其结构采用模块化设计，其CPU、电源模块、信号模块、功能模块、通讯模块、接口模块等可自由组合扩展，适用于中小型控制系统，完全能够满足本系统的需求[6]。

风压监测选用PT124B-3501型微差压变送器，通过在通风机入口处钻孔并安装压力管来获取风机运行时的静压、动压及全压信号，并将其转换为4 mA～20 mA标准电信号上传至PLC中。

风机振动监测用来测量由于风机转子不平衡、零件间摩擦等原因所产生的振动问题，本系统选用JM-B-39一体化振动变送器，其测量的振幅峰峰值范围为0 μm～500 μm，测量精度可达0.5级，线性误差≤±0.5%，相应输出为标准4 mA～20 mA电流信号，且器件可安装于风机前后轴承处。

电动机绕组与轴承的温度监控对于风机的稳定运行至关重要[7]。本系统选用PT100温度传感器对电机温度信号进行采集，再通过温度变送器转换为相应的电流信号传输至PLC的DB模块中，再经PLC通过以太网通讯至上位机显示界面将温度参数实时显示。

通风机运行时的电压、电流及功率等电参数作为衡量风机性能及运行稳定性的重要指标，也需要通过监控系统进行重点监测。本系统选用HDFJ-3X型风机智能综合保护装置对电参数进行采集并实现设备线路保护，电参数通过PLC通讯模块与综保装置连接进行传输。

3 软件方案设计

主通风机运行监测与控制系统主程序流程如图3所示。

图3 监控系统主程序流程图

当系统运行时，首先会进行系统初始化及自检过程，无误后对风机的启动模式进行判断，如需手动控制则切换至手动模式进行操控即可；进入自动运行后，向1#主通风机下达启动指令，并对1#、2#号风机的电动蝶阀开关状态进行判断，当1#风机运行时，相应的1#风机蝶阀应处于开启状态，2#风机蝶阀应处于关闭状态；蝶阀状态确认正确后，设置1#主风机的变频器频率并开启，驱动M11、M12号电机运行，此时1#主风机进入运行状态，由运行参数监测模块对其运行参数进行实时测量和上传，再通过PLC与上位机进行数据采集交换，并通过上位机显示屏实时显示风机运行参数及状态；当1#主通风机发生故障后，监控系统将自动切换至备用2#风机完成倒风机操作，保证井下通风的正常进行，2#备用风机启动程序流程与1#风机相同。

4 结束语

本文设计的矿井主通风机运行监测控制系统经实际测试可在3 min内完成主备用风机自动切换操作，且单台通风机启停控制时间极短，满足控制需求；在24 h连续运行状态下，系统可对主通风机的各项运行数据进行动态测量与显示，且各性能指标良好，实现了主通风机监测与控制智能一体化的设计。