礦井通風系統(tǒng)監(jiān)測平臺的設(shè)計與實現(xiàn)的研究

王學斌

（陽泉市南煤集團南莊公司， 山西 陽泉 045000）

引言

通風機因其自身具有諸多優(yōu)點，比如使用效率高、維護方便、結(jié)構(gòu)緊湊、易于維護等，被廣泛應用于煤礦開采、工業(yè)產(chǎn)生、冷卻塔系統(tǒng)等行業(yè)。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，各行業(yè)對通風機的使用性能提出了更高的要求，要求其通風量增加的同時，降低功耗、提高設(shè)備的可靠性等。通風機也從原來的粗放式，變?yōu)楝F(xiàn)在設(shè)備的設(shè)計更加精密，并在提高設(shè)備可靠性的同時研究狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對通風機狀態(tài)的全面掌握[1]。

為了及時甚至超前預判通風系統(tǒng)狀態(tài)，對于確保井下通風安全具有重要意義。因此在生產(chǎn)過程中急需建立一套針對通風系統(tǒng)的監(jiān)控與預判機制，從而有助于對井下通風安全的預判，提高管理能力。本文根據(jù)某煤礦一實際井下通風改造項目為研究對象，給出了井下通風監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，并借助BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對歷史數(shù)據(jù)擬合分析能力，實現(xiàn)對井下通風系統(tǒng)的監(jiān)測與預測[2]。

1 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

煤礦井下通風系統(tǒng)由于其環(huán)境的特殊性，時常會出現(xiàn)風機故障的問題。如何減小損失，對風機系統(tǒng)功能進行有效管控，可以利用計算機數(shù)字化分析，基于通風機的大數(shù)據(jù)，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以擬合分析出一般的規(guī)律。

現(xiàn)有的通風機監(jiān)測預警平臺使用手段較為有限，可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊處理，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的篩選、甄別，從解決通風機實際故障問題出發(fā)，建立預測模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)顧名思義，其作用就像大腦，當用于解決某一問題時，不斷接受數(shù)據(jù)訓練，從而實現(xiàn)對某些情況的自主處理，并且可不斷地實現(xiàn)調(diào)整優(yōu)化，具有容錯、聯(lián)想、自學能力[3]。

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是目前常用的一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，由梯度搜索實現(xiàn)，在實際應用中常用于處理多輸入條件下的非線性問題，具有獨特優(yōu)勢。在BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，包括輸入層和輸出層，而中間保護節(jié)點是分布隨機的隱藏層，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示[4]。

圖1 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 通風系統(tǒng)監(jiān)測與預測總設(shè)計

2.1 通風系統(tǒng)監(jiān)測

2.1.1 總體設(shè)計

井下通風系統(tǒng)監(jiān)測子系統(tǒng)主要以PLC 控制器為核心，主要實現(xiàn)對通風系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、輸出功率的控制等操作，該子系統(tǒng)主要包括的硬件設(shè)備有PLC 控制器、現(xiàn)場布置的各種傳感器、通風機主機、變頻控制器、供電網(wǎng)絡(luò)等，結(jié)構(gòu)的組成如下頁圖2 所示[5]。

2.1.2 硬件選擇

需要根據(jù)實際通風機的使用情況、產(chǎn)品闡述，提出對監(jiān)測系統(tǒng)硬件的設(shè)計，主要涉及通風機供配電系統(tǒng)設(shè)計、PLC 控制器的選擇、主風扇機的選擇等。

1）通風機供配電系統(tǒng)設(shè)計。對電路總體進行設(shè)計，根據(jù)使用情況進行優(yōu)化，合理分配供電電路，確保電路功率分配合理。供配電系統(tǒng)主要包括母線聯(lián)絡(luò)柜、變壓器、低壓配電柜、低壓進線柜、UPS 以及低壓變頻柜等相關(guān)設(shè)備[6]。

圖2 通風監(jiān)測系統(tǒng)主框架

2）通風機型號選擇。根據(jù)該項目的實際情況設(shè)計通風機，確保井內(nèi)有足夠的空氣通量，項目現(xiàn)場最終確定選擇了兩臺T35 礦用軸流式通風機，通風機額定功率：25 kW；風量：8.0～17 m3/s，并在通風機氣體出口設(shè)置6 個溫度傳感器，并且可實現(xiàn)風量自動調(diào)節(jié)，使用起來較為方便。

3）PLC 控制器。本系統(tǒng)設(shè)計中采用了由德國西門子生產(chǎn)的，SR17-350 系列PLC 控制器，該型控制器具有諸多優(yōu)點，如性能優(yōu)越、可靠性好，輸出與輸入端口豐富，能夠很好地應用于井下通風系統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)。

2.2 數(shù)據(jù)系統(tǒng)采集子系統(tǒng)設(shè)計

計算機技術(shù)的發(fā)展，推動了數(shù)據(jù)采集的應用與發(fā)展，尤其是在傳統(tǒng)工業(yè)行業(yè)的應用，極大地提高了原有系統(tǒng)的效率。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)，包括傳感器數(shù)據(jù)采集、A/D 轉(zhuǎn)換、信號傳輸、信號處理，以及對信號進行處理，在軟件層面的系統(tǒng)的實現(xiàn)基于第三專業(yè)軟件服務商提供，在此對軟件系統(tǒng)具體搭建過程不再贅述。軟件主要包括五大模塊化功能，包括主程序、測試程序、模擬量、控制參數(shù)等。

2.3 預測子系統(tǒng)設(shè)計

預測的基本原理就是首先基于采集子系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)，以及控制系統(tǒng)的處理反饋信號，主要由OPC Server 硬件服務器實現(xiàn)在MCGS 軟件與PLC 風機控制系統(tǒng)之間的信息傳輸功能，同時實現(xiàn)基于MATLAB 軟件的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)預測的平臺，如圖3 所示，為該預測子系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。

3 監(jiān)測平臺的實現(xiàn)

對于井下通風監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺的軟件設(shè)計，根據(jù)項目實際情況提出設(shè)計要求。軟件具體實現(xiàn)由第三方程序編輯合作開發(fā)，對于該軟件的功能以及要求提出了總體設(shè)計。首先說明該軟件的設(shè)計原則，主要依據(jù)：實用性、可靠性、后期可擴展以及開放性原則。

圖3 預測評價子系統(tǒng)搭建

圖4 通風系統(tǒng)監(jiān)測軟件平臺結(jié)構(gòu)

如圖4 所示，為軟件設(shè)計的總體邏輯關(guān)系圖，系統(tǒng)實現(xiàn)的主要流程為首先基于傳感器數(shù)據(jù)采集，并通過井下以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)進行傳輸、數(shù)據(jù)采集，以及系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理。再由主計算機處理系統(tǒng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，并依據(jù)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算結(jié)果對系統(tǒng)狀態(tài)進行研判。

如圖5 所示，為軟件系統(tǒng)通風機監(jiān)測界面，軟件實現(xiàn)了設(shè)計功能，該監(jiān)測界面主要包括通風機運行狀況、通風機轉(zhuǎn)速、軸溫以及流量等重要參數(shù)。同時該系統(tǒng)還具備主通風機運行監(jiān)控功能、監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄歷史查詢、狀態(tài)實時查詢界面、報警信息界面、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)智能預測輸出信號等功能，在此不再一一說明。

圖5 軟件系統(tǒng)通風機監(jiān)測界面

該監(jiān)測系統(tǒng)在后期的實際使用中，其性能也得到了檢驗，滿足設(shè)計要求。實現(xiàn)了對井下通風系統(tǒng)的監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)，做到對故障狀態(tài)的研判。根據(jù)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預測結(jié)果，將系統(tǒng)的可靠性閾值設(shè)定為五個檔，分別是安全、較安全、一般、較危險、危險；當神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預測結(jié)果為危險時，系統(tǒng)將進行自動報警，有效地保障了通風系統(tǒng)的安全。該研究對于井下通風監(jiān)測與預警系統(tǒng)的研究具有重要參考價值，對于保障井下安全作業(yè)具有重要意義。

4 結(jié)論

1）為了確保獲得良好的通風效果，保障井下作業(yè)安全，對井下通風系統(tǒng)進行設(shè)計并實現(xiàn)有效監(jiān)測，并基于歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)對狀態(tài)進行預判、預測。根據(jù)某煤礦一實際井下通風改造項目為研究對象，設(shè)計了通風監(jiān)測子系統(tǒng)、預測子系統(tǒng)，對系統(tǒng)硬件、軟件進行設(shè)計，得到滿足該項目的監(jiān)測、預測平臺。

2）對監(jiān)測總系統(tǒng)軟件功能以及要求提出了總體設(shè)計，由第三方程序編輯代理合作開發(fā)實現(xiàn)軟件開發(fā)，該監(jiān)測系統(tǒng)在后期的實際使用中，其性能也得到了檢驗，滿足設(shè)計要求。實現(xiàn)了對井下通風系統(tǒng)的監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)，做到對故障狀態(tài)的研判，可以為井下通風系統(tǒng)設(shè)計提供有力參考，對于保障井下安全作業(yè)具有重要意義