礦井通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

方 瑋

（河南理工大學(xué)，河南 焦作 454100）

1 礦井通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 礦井通風(fēng)機(jī)自動監(jiān)控系統(tǒng)的功能

煤礦主扇風(fēng)機(jī)是煤礦行業(yè)中非常重要的設(shè)施設(shè)備，在日常的作業(yè)生產(chǎn)中扮演者關(guān)鍵的安全防護(hù)角色，所以一定要確保主扇風(fēng)機(jī)自動監(jiān)管體系的可靠性與安全性。

此次設(shè)計(jì)的主控制單元包含了風(fēng)機(jī)變電站實(shí)時(shí)監(jiān)管系統(tǒng)和特征變量在線監(jiān)測系統(tǒng)。風(fēng)機(jī)變電站實(shí)時(shí)監(jiān)管系統(tǒng)主要涵蓋了十一臺專用的高壓型式的設(shè)備箱，設(shè)計(jì)安裝有南瑞綜保裝置的箱子有9臺，因此這就有效的保證相關(guān)的數(shù)據(jù)資料可以安全的傳輸?shù)綄?yīng)的控制單元上；來自風(fēng)機(jī)檢測采集到的震動數(shù)據(jù)、流量以及外部負(fù)載通過各種類型的傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時(shí)將傳感器的采集到的數(shù)據(jù)信息反饋至控制單元；一般情況下通過點(diǎn)溫計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測和測量軸承以及電機(jī)定子的溫度變化并完成數(shù)據(jù)采集工作，之后將所測得的數(shù)據(jù)傳送到相關(guān)的控制單元上。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)工作時(shí)采集到的特征數(shù)據(jù)需反饋至集中控制中心，方便后續(xù)的實(shí)時(shí)調(diào)整與完善。

此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，其功能涵蓋以下幾點(diǎn)：

（1）相關(guān)風(fēng)機(jī)的特征量可以得到事實(shí)的測量獲得，并且可以保證主單元和輔助單元在同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的測量。

（2）可以對電機(jī)的電流、電壓以及功率等數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的檢測。

（3）可以對電機(jī)的震動數(shù)據(jù)以及風(fēng)機(jī)的軸承溫度等重要數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確有效的檢測控制。

（4）可以對哪一臺風(fēng)機(jī)運(yùn)作及正反轉(zhuǎn)變量等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的把控和掌握。

（5）可以對風(fēng)機(jī)的外在負(fù)壓和瞬態(tài)流量等氣動數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的檢測把控。

（6）既可以保證定子電流的過載報(bào)警控制，也可以保證其電壓小于5.1 kV電壓時(shí)的聲光報(bào)警。

（7）礦區(qū)可以利用網(wǎng)絡(luò)傳輸將所有監(jiān)測到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳，并在局域網(wǎng)里進(jìn)行共享操作。

1.2 風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)

額定電壓為220 V工作溫度小于50℃監(jiān)測準(zhǔn)確性指標(biāo)：2.5級流量、0.5級壓力、0.25級電參數(shù)、1.5級其他

根據(jù)甲方自行設(shè)定監(jiān)控的參數(shù)

1.3 風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)

風(fēng)機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)置為中心監(jiān)控和分層控制的組織結(jié)構(gòu)，而監(jiān)管體系又可以分為監(jiān)管控制、長距離控制以及中央監(jiān)管三層。

（1）監(jiān)管測量體系。監(jiān)管測量主要包括通過綜保系統(tǒng)對風(fēng)機(jī)特征量的實(shí)時(shí)監(jiān)測和采集，并利用相關(guān)的數(shù)據(jù)傳感器進(jìn)行收集分析。

（2）中央控制體系。中央控制單元主要是基于PLC系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，利用西門子S7-200達(dá)到對風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)變換的目的，并且這套系統(tǒng)可以將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和傳輸處理，并利用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與控制單元進(jìn)行實(shí)時(shí)的通訊操作。

（3）長距離監(jiān)控單元。長距離監(jiān)控單元可以與調(diào)度中心建立安全可靠的聯(lián)系，此次長距離監(jiān)控單元中，監(jiān)控軟件采用Wonderware公司Intouch開發(fā)的監(jiān)控程序，借助監(jiān)控程序?qū)崿F(xiàn)功能模塊間的數(shù)據(jù)傳輸與通信聯(lián)系，以此為基礎(chǔ)確保風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)監(jiān)管。在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)工作的時(shí)候，采集記錄不同時(shí)間段風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)管風(fēng)機(jī)的可靠性，還能夠通過聲光報(bào)警預(yù)防各種安全隱患，還可以根據(jù)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)生成各種曲線以及報(bào)表。

1.4 風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)作方式

此監(jiān)控系統(tǒng)包括三種不同的工作模式，分別稱為“就地”“遠(yuǎn)控”“自動“；通過電容屏，用戶可以根據(jù)具體的使用需求加以選擇不同的工作模式。下面就不同的工作模式分別詳細(xì)說明。

（1）就地：就地指的是在現(xiàn)場的電容屏上手動選擇，由于此次系統(tǒng)中，采用了西門子的PLC來建立與觸摸屏的直接通訊，接口兼容性較好，同時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)比較平穩(wěn)，因此這種工作模式是可靠性最高的。

（2）遠(yuǎn)控：遠(yuǎn)控可以從字面上加以理解。指的就是在集中控制中心通過高低壓開關(guān)的切換，借助遙合、遙分的模式控制系統(tǒng)的運(yùn)行，這種模式下，通常有個(gè)缺點(diǎn)就是會被所在的通訊狀況及軟件是否具有比較好的穩(wěn)定性等因素制約，所以這種遠(yuǎn)控模式的響應(yīng)時(shí)間會受到周圍環(huán)境因素的制約和干擾上，鑒于此次系統(tǒng)中軟件穩(wěn)定性較好，且信息傳輸?shù)慕橘|(zhì)為高速光纜，因此還是可以確保風(fēng)機(jī)常態(tài)化的使用與工作，同時(shí)鑒于遠(yuǎn)程控制的特點(diǎn)，此次系統(tǒng)的便捷性也能夠體現(xiàn)出來。

（3）自動監(jiān)管：自動監(jiān)管屬于遠(yuǎn)程控制的模式之一，不需要人為介入，如果風(fēng)機(jī)在使用過程中出現(xiàn)了異常，會自動啟動另一臺冗余設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)，同時(shí)根據(jù)環(huán)境因素和實(shí)際需要自行調(diào)整風(fēng)量，不會由于單臺風(fēng)機(jī)失常而制約干擾正常生產(chǎn)。

此次設(shè)計(jì)的監(jiān)管系統(tǒng)，位于集控室內(nèi)，在風(fēng)機(jī)控制前端上有個(gè)自動/半自動切換模式按鈕，人工在電容屏上選擇了遠(yuǎn)控模式時(shí)，此模式按鈕才會生效，當(dāng)模式達(dá)到自動開關(guān)時(shí)，風(fēng)機(jī)就會根據(jù)電腦指示進(jìn)入自動工作模式，這個(gè)時(shí)候控制中心以及現(xiàn)場的操作觸屏開關(guān)都會失效不起作用，風(fēng)機(jī)的特征量等數(shù)據(jù)只能通過遠(yuǎn)程操作來實(shí)現(xiàn)；當(dāng)選擇半自動模式開關(guān)時(shí)，風(fēng)機(jī)隨即進(jìn)入半自動工作狀態(tài)，此時(shí)，控制中心的利用數(shù)據(jù)終端達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的；當(dāng)切換成就地模式時(shí)只能通過現(xiàn)場操作進(jìn)行人工操作了。

2 礦井通風(fēng)機(jī)自動監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)

本次的監(jiān)控系統(tǒng)主要以工業(yè)PLC控制為關(guān)鍵的技術(shù)核心進(jìn)行設(shè)計(jì)的，它主要包括了傳感器，信號采集設(shè)備，通訊設(shè)備及上位機(jī)等。

涵蓋的技術(shù)優(yōu)勢包括下列幾點(diǎn)：

（1）利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多功能化和智能化，操作系統(tǒng)界面的簡單直接，通俗易懂，可以實(shí)時(shí)的反映風(fēng)機(jī)的運(yùn)作情況。

（2）模塊化設(shè)計(jì)理念，相對獨(dú)立卻又彼此聯(lián)系，冗余設(shè)計(jì)安全可靠，功能擴(kuò)展可延伸。

（3）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)

（4）流量監(jiān)測模式獨(dú)特，監(jiān)測的實(shí)時(shí)性突出顯著，采集數(shù)據(jù)的精度高。

（5）傳感器布設(shè)合理，可靠性高，采集數(shù)據(jù)精度高。

（6）軟件設(shè)計(jì)安全高效。

（7）界面友好，操作便捷，維護(hù)方便。

2.2 風(fēng)機(jī)參數(shù)的監(jiān)測

此次設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)核心是工業(yè)控制PLC，再輔以外圍設(shè)備，借助先進(jìn)的多功能程序控制，實(shí)現(xiàn)特征量數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理等，在終端設(shè)備上生成各種圖表與曲線。

2.3 風(fēng)機(jī)特征量的監(jiān)測

風(fēng)機(jī)的特征量包括很多參數(shù)，例如軸功率、瞬態(tài)效率及實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速等。同樣與之配套的電機(jī)的特征量也包括很多參數(shù)，例如電流、電壓及功率等。相關(guān)的計(jì)算方法包括：

式中：Q—流量；A—流量測量截面積；V—流量測量截面積的平均流速；Ρ—風(fēng)機(jī)全壓；P2—風(fēng)機(jī)出口靜壓；Pd2—風(fēng)機(jī)出口動壓；PI—風(fēng)機(jī)入口靜壓；PdI—風(fēng)機(jī)入口動壓；Pj—風(fēng)機(jī)靜壓；N—風(fēng)機(jī)軸功率；Nd—電機(jī)有功功率；ηd—電機(jī)效率、由損耗分析法求得。ηc—傳動效率；η—風(fēng)機(jī)全壓效率；ηJ—風(fēng)機(jī)靜壓效率。

2.3 風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)所需監(jiān)控的輸入輸出量

在這套風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，必須要注意的是實(shí)時(shí)監(jiān)測風(fēng)機(jī)前后軸承的溫度，電機(jī)的振動數(shù)據(jù)以及定子的溫度變化等重要數(shù)據(jù)。對重要數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的精準(zhǔn)監(jiān)測進(jìn)而實(shí)時(shí)把控風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，這樣做的目的不僅可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的高效率運(yùn)行，同時(shí)對異常噪聲和報(bào)警進(jìn)行準(zhǔn)確有效的判斷和評估。下面是風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的輸入輸出參數(shù)。

在上述參數(shù)變量表中，開關(guān)柜的電氣參數(shù)是借助單個(gè)CP340以及南瑞綜保進(jìn)行串行通訊獲取的每一個(gè)高壓柜的電流、電壓、功率數(shù)據(jù)以及高壓柜的斷路器狀態(tài)等實(shí)時(shí)信息。

3 結(jié)論

在使用可靠性比較高的工業(yè)PLC和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)共同開發(fā)的風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，利用控制中心和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸工作，并實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制的功能，有效的解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，參數(shù)監(jiān)測不準(zhǔn)確，監(jiān)測內(nèi)容不全面等方面的缺點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)場情況的勘測和實(shí)際要求，文章設(shè)計(jì)的這套風(fēng)機(jī)自動監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，監(jiān)測精度高。監(jiān)測內(nèi)容全面，可以與控制中心實(shí)現(xiàn)互通互聯(lián)，對現(xiàn)在的礦井生產(chǎn)效率起到了大大的促進(jìn)作用。