礦井主通風機性能在線監(jiān)測與監(jiān)控系統(tǒng)的設計

1.引言

礦井通風機是向井下輸送新鮮空氣，排除礦井有害氣體，維持正常的生產(chǎn)條件，保障安全作業(yè)和人員身體健康的固定設備，其運行狀況的好壞，直接關系到人身安全和生產(chǎn)能否正常運行，在保證礦井正常安全生產(chǎn)方面起著重要的作用。隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，企業(yè)對生產(chǎn)系統(tǒng)自動化控制程度的要求不斷提高，控制過程要求更加安全可靠，功能更加齊全，需要對生產(chǎn)過程信息集中監(jiān)測、實時存取、自動分析，以便于實施最佳運行方案。在現(xiàn)代計算機技術、微電子技術的強大支持下，企業(yè)不斷提高自動化水平，提高工業(yè)生產(chǎn)效率也是企業(yè)發(fā)展的必需。所以，利用計算機實現(xiàn)對通風機的智能化管理將為設備運行帶來眾多的優(yōu)點，為企業(yè)發(fā)展產(chǎn)生重要的意義。

2.監(jiān)控系統(tǒng)的設計

監(jiān)控系統(tǒng)由PLC監(jiān)控柜、現(xiàn)場監(jiān)控主機（含監(jiān)測軟件）、現(xiàn)場傳感器及通訊網(wǎng)絡及功能接口等組成，系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

2.1 PLC監(jiān)控柜

控制核心PLC采用西門子S7-300系列可編程控制器，主要包括CPU模塊、電源模塊、模擬量輸入輸出模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、以太網(wǎng)通訊模塊等，實現(xiàn)的主要功能如下：

2.1.1 設備控制方式包括：自動-手動-檢修三種控制模式。

①自動控制方式：全過程PLC參與控制，由PLC按照預置程序控制，遵循必須的閉鎖關系，防止各種誤操作的發(fā)生。此方式受操作員在操作站控制，實現(xiàn)風機和附屬設備的“一鍵式” 自動啟、停風機、“一鍵式”自動倒機等功能，可代替人工分步倒機操作，大大縮短風機倒計時間。

②手動控制方式：全過程PLC參與控制，遵循必須的閉鎖關系，防止各種誤操作的發(fā)生。此方式操作員在現(xiàn)場或遠程操作站按順序起、停每個相關設備。

③檢修控制方式：操作員通過就地控制柜或控制箱實現(xiàn)設備操作，選擇就地控制柜或控制箱的“遠方-就地”為就地方式，操作站處于不可操作狀態(tài)，此方式用于風機設備檢修或調(diào)試時的控制操作。

2.1.2 控制系統(tǒng)與變頻器配合，手動或自動控制變頻器的輸出頻率，可實現(xiàn)風量的調(diào)節(jié)功能。

2.1.3 采集的模擬量參數(shù)包括：：風機的全壓、靜壓、動壓、風量、風速、效率、瓦斯?jié)舛?、一二級電機軸承溫度、兩級電機繞組溫度（三相）、風機振動信號（X、Y方向）、兩級電機運行電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、累計電量等。設備狀態(tài)信號包括：風機運行狀態(tài)（正反風），變頻器運行狀態(tài)、風門位置狀態(tài)等。

2.1.4 系統(tǒng)對溫度超限、風機振動超限、變頻故重障等重要運行參數(shù)和狀態(tài)進行快速分析處理，發(fā)現(xiàn)異常情況首先及時發(fā)出聲光報警提示，并根據(jù)工藝要求實現(xiàn)聯(lián)鎖保護停機。

2.1.5 PLC系統(tǒng)配置以太網(wǎng)通訊模塊，與2臺監(jiān)控計算機（上位機）采用TCP/IP協(xié)議進行通訊。

2.2 監(jiān)控主機

監(jiān)控主機采用工業(yè)級計算機上，滿足在惡劣的環(huán)境中長期穩(wěn)定可靠的不間斷運行。監(jiān)控主機設置兩臺雙機冗余設計，每臺上位機可同時監(jiān)控兩臺風機，正常時一用一備，監(jiān)控主機配有監(jiān)控臺和打印機， 監(jiān)控臺安裝在風機房值班室內(nèi)。

2.2.1 數(shù)據(jù)監(jiān)控主機基本配置：

研華IPC-610;CPU主頻：酷睿雙核2.4G;內(nèi)存：2G;硬盤容量：320G;顯示器：22″液晶顯示器;光驅：DVD。

2.2.2 系統(tǒng)監(jiān)測監(jiān)控軟件采用工業(yè)控制組態(tài)軟件設計開發(fā)，人機界面友好，操作簡單，實時顯示運行工況參數(shù)，動態(tài)顯示工藝流程圖形和設備運行狀態(tài);

2.2.3 實時報警和歷史報警信息查詢功能：當系統(tǒng)出現(xiàn)報警時，自動記錄報警所發(fā)生時刻和確認、消失的具體時間，通過歷史報警窗口可進行查閱。

2.2.4 對所有模擬量監(jiān)測參數(shù)形成實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線功能，系統(tǒng)對監(jiān)測參數(shù)定時保存到歷史數(shù)據(jù)庫，存儲保存時間為一年，可通過歷史趨勢功能隨時提取和查閱歷史數(shù)據(jù)庫任一時刻記錄點的數(shù)據(jù)和運行變化趨勢。

2.2.5 系統(tǒng)記錄各參數(shù)整點運行數(shù)據(jù)自動生成生產(chǎn)報表，代替人工抄錄，為用戶提供真實有效的運行數(shù)據(jù)。

2.2.6 數(shù)據(jù)轉存功能：用戶可利用“U”盤通過計算機USB口將數(shù)據(jù)報表轉存拷貝，并可選擇存儲路徑、報表時間范圍、數(shù)據(jù)記錄間隔等功能，數(shù)據(jù)文件為excel格式文件，非常方便用戶分析整理。

2.2.7 根據(jù)風壓、風量等參數(shù)，自動繪制實時風阻運行曲線和相應運行角度和轉速的風機性能曲線，顯示風機運行工況點。

2.2.8 打印功能：可將報警信息記錄和報表自動或手動打印輸出。

2.2.9 系統(tǒng)通過礦方提供的以太網(wǎng)可實現(xiàn)遠程監(jiān)測監(jiān)控功能，設備控制設有安全操作權限，具有登陸權限者方可進行操作;

2.2.10 系統(tǒng)提供可靠的標準數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡接口包括OPC、TCP/IP、WebService等多種通訊方式，實現(xiàn)與礦調(diào)度中心或機電設備管理網(wǎng)等上一級網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，傳送全部監(jiān)測數(shù)據(jù)，提高監(jiān)控效率，適應全礦乃至全局的信息化管理的要求。

2.2.11 具有在線信息系統(tǒng)功能：可以在線察看系統(tǒng)操作維護使用說明書，也可以錄入各種管理信息，如：安全操作規(guī)程、管理制度、設備檔案資料等。

3.現(xiàn)場傳感器

現(xiàn)場傳感器包括溫度傳感器、負壓傳感器、振動傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、綜合電參數(shù)采集模塊等，來完成設備基本信號的采集，通過通訊接口或信號變送調(diào)理轉換成標準信號送至PLC進行進一步處理，以下是各傳感器的數(shù)量、參數(shù)以及測量方法等。

3.1 溫度信號的測量

傳感器采用分度號PT100鉑電阻溫度傳感器（如圖2），鉑電阻溫度傳感器具有精度高，穩(wěn)定性好，應用溫度范圍廣（-200℃～400℃）的特點，溫度傳感器接線采用三線制連接，因為測量鉑電阻的電路為不平衡電橋，鉑電阻作為電橋的一個橋臂電阻，將導線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到鉑電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，當橋路平衡時，導線電阻的變化對測量結果沒有任何影響，這樣就消除了導線線路電阻帶來的測量誤差，提高測量精度。

圖2 溫度傳感器

3.2 風壓、風量的測量

負壓傳感器用來測量巷道靜壓和測量計算風量使用（風量測量計算原理見3.2.2節(jié)），巷道靜壓測點壓力源取自“U”計處，風機入口靜壓測點需要在風機入口機體上加工布置一個環(huán)形測壓裝置，取4個點的平均靜壓，結構示意圖如圖3、圖4所示。

表1 每臺風機的溫度測點

測點名稱 數(shù)量 安裝和接線 說明

一級電機繞組溫度 3 電機已預埋溫度傳感器 三相繞組溫度

一級電機軸伸端軸承溫度 1

一級電機軸非伸端軸承溫度 1

二級電機繞組溫度 3 三相繞組溫度

二級電機軸伸端軸承溫度 1

二級電機軸非伸端軸承溫度 1

圖3 環(huán)形測壓示意圖 ? ? ? 圖4 負壓變送器

3.2.1 負壓變送器主要技術參數(shù)

測量范圍：0～-10Kpa;輸出：4-20mADC二線制;基本誤差：0.5%;工作溫度：-20℃-+85℃;長期穩(wěn)定性：<0.2%F.S/℃;過載極限：最大額定壓力的1.5倍。

3.2.2 風量的測量方法

根據(jù)空氣流動的動力學理論，利用兩端面靜壓變化測定法計算風量，這種方法具有測定方法簡單、測定數(shù)據(jù)穩(wěn)定、準確的特點，并且適合進行長期在線風量監(jiān)測。分別在巷道和風機入口處之間取S1、S2兩處不同斷面的靜壓測點，由2只負壓傳感器采集送入PLC通道，按照計算公式計算風量，并且進一步計算風機入口的風速、風機裝置綜合效率等相關參數(shù)，如圖5。

圖5 風量測量示意圖

3.3 風機振動的測量

振動傳感器用于測量風機的振幅或振速信號，是監(jiān)測風機異常故障的重要手段之一，振動傳感器一般安裝在風機內(nèi)軸承座體上（或風機機體上），每臺風機分別裝有垂直、水平方向分布的振動傳感器， 如圖6、圖7所示。振動傳感器有專用配套變送器，將振動信號轉換為4-20mA標準信號送入PLC模擬量采集通道。

圖6 振動傳感器 ? ? ? ? ? ? 圖7 振動變送器

圖8 EDA9033D電參數(shù)模塊 ? ? ? ? ? ?圖9 接線原理

圖10 礦用甲烷和一氧化碳傳感器 ? ? ? ?圖11 ?礦用隔爆兼本安電源

表2 主要監(jiān)測參數(shù)一覽表（每臺風機）

序號 參數(shù)名稱 量程 單位 測點

數(shù)量 參數(shù)報警 說明

上限 下限

1 風機靜壓 0～-10 KPa 1 - - 傳感器測量

2 風機全壓 0～-10 KPa 1 - - 計算

3 風機風量 m3/s 1 - - 取兩段不同斷面靜壓差計算

4 風機風速 m/s 1 - - 由風量和此點斷面面積計算

5 風機裝置效率 % 1 - - 由風壓、風量、電機輸入功率等參數(shù)量計算

6 瓦斯?jié)舛?0～4 % 1 ★ 傳感器測量

7 一級電機繞組溫度 -20～200 ℃ 3 ★ - A、B、C三相繞組，

8 一級電機前軸承溫度 -20～200 ℃ 1 ★ -

9 一級電機后軸承溫度 -20～200 ℃ 1 ★

10 二級電機繞組溫度 -20～200 ℃ 3 ★ - A、B、C三相繞組，

11 二級電機前軸承溫度 -20～200 ℃ 1 ★ -

12 二級電機后軸承溫度 -20～200 ℃ 1 ★ -

13 風機振動信號 0～500 μm 2 ★ - X軸向Y軸向

14 電機定子電壓 0～500 V 2 ★ ★ 包括一、二級電機

15 電機定子電流 A 2 ★ -

16 有功功率 KW 2 - -

17 無功功率 KVar 2 - -

18 功率因數(shù) 2 - -

19 累計電量 KWh 2 - -

20 運行頻率 HZ 2 - -

21 變頻器運行信號 無源接點信號

22 風機運行信號 無源接點信號，取自分機啟動柜

23 風門位置信號 無源接點信號，取自風門電動執(zhí)行機構

振動傳感器主要技術參數(shù)：振動傳感器型號：CD-21C（S）;測量范圍：0～500μm;靈敏度：200mv/cm/s;橫向靈敏度比：<10%;工作環(huán)境：溫度：-29℃～80℃，相對濕度：95%不冷凝;輸出電阻：≤500Ω;最大承受沖擊：500m/s2。

3.4 風機運行電參數(shù)的采集

風機運行的電參數(shù)采集采用綜合電參數(shù)模塊實現(xiàn)，綜合電參數(shù)模塊是一款性能優(yōu)異，功能齊全的智能型電參數(shù)測量與采集模塊，適用于工頻三相三線制或三相四線制電路中的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等信號的測量，采用RS485總線通訊方式，標準MODBUS-RTU通訊規(guī)約。

綜合電參數(shù)模塊分別安裝在一、二級風機啟動柜和進線柜內(nèi)，接入三相電壓（二次電壓）、A、C相電流，通過協(xié)議轉換模塊與PLC建立通訊連接，傳送各種參數(shù)，使系統(tǒng)集供電監(jiān)測功能于一體。如圖8、圖9所示。

綜合電參數(shù)模塊主要技術參數(shù)：輸入信號：三相交流電壓、電流，輸入頻率：45～75Hz;電壓量程：500V，電流量程：5A;通訊輸出：RS-485，標準MODBUS-RTU通訊規(guī)約;測量精度：電流、電壓：0.2級;其它電量：0.5級;供電電源：DC+10～30V;功耗：<0.5W;工作環(huán)境：工作溫度：-20℃～+70℃，相對濕度：5%～95%不結露。

3.5 瓦斯?jié)舛葌鞲衅?/p>

瓦斯?jié)舛葌鞲衅鬟x用礦用本安兼隔爆型產(chǎn)品，配有專用礦用本安電源，傳感器本身具有LED數(shù)字顯示功能，聲光報警功能和采用遙控器調(diào)校的功能，傳感器輸出為頻率信號，經(jīng)信號調(diào)理變換為4-20mA標準信號送入PLC模擬量數(shù)據(jù)采集通道。如圖10、圖11所示。

4.主要監(jiān)測參數(shù)一覽表（見表2）

5.監(jiān)控系統(tǒng)功能

a.系統(tǒng)可快速、準確的實時監(jiān)測風機設備的運行工況參數(shù)，包括溫度、壓力、流量、振動、電壓、電流、功率、電量等重要參數(shù)，對運行監(jiān)測參數(shù)進行快速分析處理，發(fā)現(xiàn)異常情況及時報警提示，按相關預案使隱患得到及時有效處理，防止造成重大安全事故。

b.由可編程控制器判斷相關的聯(lián)鎖條件實現(xiàn)設備的聯(lián)鎖控制，在監(jiān)控計算機上操作控制時，具有相關的操作提示和操作權限，防止發(fā)生誤操作。

c.應用組態(tài)軟件編譯，人機界面友好，并以數(shù)字顯示、模擬儀表、趨勢曲線、報表等多種形式顯示設備運行數(shù)據(jù)，并自動存入數(shù)據(jù)庫長期保存，可以隨時查閱，保證了數(shù)據(jù)的真實性、有效性，降低了人為因素造成的影響，有利于幫助制定完善的經(jīng)濟運行方案，及時發(fā)現(xiàn)故障隱患，防患于未然。

d.動態(tài)圖形顯示設備運行狀態(tài)，具有觀看方便、直觀明了的特點，例如：旋轉風葉、風流方向、開關分合狀態(tài)、風門所處位置等。

e.系統(tǒng)采用工業(yè)級的計算機和模塊化智能數(shù)據(jù)采集裝置，滿足在惡劣的環(huán)境中長期穩(wěn)定可靠的不間斷運行，并且一套系統(tǒng)可同時監(jiān)控2臺風機和其它附屬設備。

f.監(jiān)測系統(tǒng)可以通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡（光纖網(wǎng)絡）將現(xiàn)場與礦局域網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)遠方對設備進行控制、數(shù)據(jù)瀏覽等，提高了監(jiān)控效率，適應全礦乃至全局的信息化管理的要求。

參考文獻

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作者簡介：李志勇（1978—），男，黑龍江哈爾濱人，學士，主要從事選煤廠工業(yè)控制系統(tǒng)設計、工程實施方面工作。