矿用通风机远程监控系统的工程应用研究

任宝瑞

（晋能控股煤业集团安全督查大队， 山西 大同 037003）

引言

煤矿开采通常在地底下进行，期间会产生很多有毒有害气体和粉尘等，会对煤矿生产安全构成严重威胁[1]。针对上述问题通常可以使用矿用通风机向井下通入新鲜空气，同时将井下有毒、有害气体和粉尘等排出，改善矿井环境，确保煤矿生产安全[2]。可见矿用通风机的稳定可靠运行在保障井下工作人员身体健康以及煤矿安全生产方面发挥着非常重要的作用。已有的实践数据表明，煤矿安全生产事故中有70%以上是由于矿用通风机故障问题导致的[3]。基于此，有必要结合矿井实际情况对通风机的远程监控系统进行设计与研究。利用监控系统对设备的运行状态进行实时监测，为其稳定可靠运行奠定坚实的基础[4]。

1 矿用通风机的结构概述

通风机是煤矿生产实践中必不可少的机电装备，目前市场上有多种型号和系列的通风机[5]。某煤矿中使用的FBCDZNo22/250×2 型通风机，属于对旋轴流式通风机。此型号通风机叶片的直径为220 mm，同时由两部电机进行驱动，每部电机的装机功率为250 kW，主机的旋转速度可以达到980 r/min，可以提供的风量和风压分别为65~122 m3/s 和1 628~4 350 Pa。如图1 所示该型号通风机主要由进出口消音器、扩压器、电动机、一级和二级叶片、整流罩、集流器等部分构成。实践运行中容易出现故障问题的部位主要包括电机、叶片以及轴承等。因此，需要设计远程监控系统对这些关键部位的运行状态进行监测，以保障通风机能够稳定、可靠运行。

图1 对旋轴流式通风机结构示意图

2 通风机远程监控系统的整体方案

为了确保矿井安全，要求监控系统可以结合实际情况对通风机的运行状态进行自动控制。当对通风量需求较小时可以开启一级电机运行，对通风量需求较大时可同时开启二级电机运行。通风机系统采用的是冗余设计，设置有主通风机和备用通风机，如果主通风机出现故障问题则能立即启动备用通风机运行。

如图2 所示为结合实际情况设计的通风机远程监控系统整体方案框图，方案整体上可以分为三大部分，分别为现场测量、基础控制以及远程监控管理。其中现场测量部分的作用是利用各种专业传感器，对矿用通风机的运行状态数据进行实时采集，比如电机运行温度、电流、轴承温度、设备振动状态等；基础控制部分主要由PLC 控制器及相关硬件设施构成，作用是对采集得到的数据信息进行实时分析，判断通风机的运行状态，同时与远程监控管理部分进行连接；远程监控管理部分的作用是与PLC 控制器进行连接，将接收到的数据进行分类存储，同时通过监控大屏对通风机的运行状态进行显示。

图2 通风机远程监控系统整体方案设计

3 远程监控系统主要硬件选型及工作流程

3.1 主要硬件设施选型

3.1.1 PLC 控制器

对于远程监控系统而言，PLC 控制器是其中非常关键的硬件设施，因此必须确保其性能的可靠性。结合实际情况本文选用的是西门子公司研制生产的S7-200 系列PLC 控制器，该型号控制器在工业应用中有非常好的效果[6]。其具有体积小、功耗低、运行可靠性和灵活性好等优势，更重要的是具有非常丰富的输入和输出接口，完全可以满足本系统的实际使用需要，因为本系统中的控制器需要与多个传感器进行连接。如图3 所示为S7-200 型PLC 控制器的主要构成部分。

图3 S7-200 型PLC 控制器的主要构成

PLC 控制器采用的是模块化设计，即整个硬件设施由不同的模块组装而成，其中CPU 是最为重要的模块，选用的型号为226CNAC/DC/RLY，拥有的数字量输入和输出的接口数量分别为24 个、16 个。其中数字量输入和输出接口模块的型号依次为EM221 CN DC 和EM222 CN RLY。另外，还包括以太网模块实现与上位直接机之间的连接，具体型号为CP243-1。

3.1.2 关键参数监测

远程监控系统需要监测的状态数据主要包含两方面，其一为通风机系统设备的工作状态，包括电机的功率、电压、电流，风机的关键部位温度、振动状态等；其二为井内的风量、风压、瓦斯浓度等环境参数，以便风机可根据实际情况对工作状态进行调整。主要基于斯达森SMT18N2 型智能交流综合电量模块对风机系统运行时的功率、电压和电流等信息进行监测，利用XZD-YB 型振动传感器对设备的关键部位振动信息进行监测，利用PT100 热电阻对相关温度进行监测，利用GPD0.1F 型压力传感器对通风机的风压进行监测，利用KGJ15 型瓦斯浓度传感器对矿井内部的瓦斯浓度进行监测，利用GFW15 型风速传感器对通风机的风速及风量进行监测。以上监测装置均属于本质安全型，能保证在矿井复杂工作环境下的安全性。

3.2 主要工作流程

如图4 所示为矿用通风机远程监控系统的主要工作流程图。由图4 可知，系统开始工作后，需要对监控系统中所有的硬件设施进行初始化处理，判断是启动主风机还是备用风机。确定启用主风机后，对风门进行控制将其开启，结合实际情况选择单级或者双级模式。然后利用各种传感器对通风机系统的运行状态进行监测，如果各项状态数据均正常，则继续使用主风机。如果监测发现主风机存在故障问题，则会立即启用备用风机，同时监控系统中向外发出警报，以提示工作人员及时对出现的问题进行排除。

图4 通风机远程监控系统主要工作流程图

基于以上通风机远程监控系统主要工作流程，能有效保障通风系统运行过程的可靠性和稳定性，为煤矿安全生产奠定坚实的基础。

4 远程监控系统的工程应用研究

将以上设计的远程监控系统部署到某煤矿中使用的FBCDZNo22/250×2 型通风机上，并对其实践运行效果进行连续三个月的现场测试。结果发现，在整个测试期间监控系统运行良好，各项功能均能够正常实现，特别是可以对通风机运行中的振动及温度等状态信息进行实时显示。数据信息的传输速度也相对较快，基本可以满足实时性的基本要求。针对通风机系统中的每个关键点，监控系统中都设置有安全阈值，一旦监测发现关键点的实际状态数据超过了安全阈值，会立即向外发出警报，同时在通风机运行监控界面中也会给予对应的提示。当故障排除后，需在界面中进行操作才能消除故障提示。如下页图5 所示为通风机远程监控系统运行主界面。

图5 通风机远程监控系统运行主界面

经过现场测试，验证了通风机远程监控系统运行的稳定性和可靠性。经过初步统计分析认为，此监控系统的成功实践应用，可以使通风机系统的运行故障率降低20%以上。不仅可以为煤矿企业节省一部分设备维护保养成本，同时可为煤矿安全生产奠定坚实的基础，获得了煤矿现场人员和相关技术人员的一致好评。

5 结语

以某煤矿中使用的FBCDZNo22/250×2 型对旋轴流式通风机为研究对象，对其远程监控系统进行了设计和研究，并将其应用到工程实践中。远程监控系统可以分为三大部分，分别负责设备和环境状态数据信息的采集、分析以及管理。系统中的PLC 选型为S7-200 型，具有良好的实践应用效果，对系统中应用的主要专业传感器以及工作流程进行了简要介绍。工程实践结果表明，设计的远程监控系统具有很好的效果，能及时发现设备运行中存在的安全隐患和故障问题，为煤矿企业的安全生产提供了坚实的保障。