煤礦通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

劉玉婷

（大同煤礦集團(tuán)王村煤業(yè)公司， 山西 大同 037032）

引言

為了對礦井所運(yùn)用的通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行有效的維護(hù)及管理，應(yīng)建立完善的通風(fēng)機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)。我國學(xué)者已經(jīng)針對此進(jìn)行了較多的研究[1-2]。劉貴升等設(shè)計了在線監(jiān)測系統(tǒng)，并對礦井通風(fēng)機(jī)的監(jiān)測及出現(xiàn)的故障進(jìn)行診斷，促使通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行具備較高的安全性；薛鵬針對煤礦通風(fēng)機(jī)局部系統(tǒng)存在的故障進(jìn)行分析，基于該故障的特征來創(chuàng)建有效的故障樹模型，并提出了相應(yīng)的維修策略。本文依據(jù)通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特征、故障類型等也對在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行研究。

1 礦井通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

通風(fēng)機(jī)在礦井中占據(jù)著十分重要的地位，并且是通風(fēng)系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)成，通風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的能耗在礦井總能耗中占據(jù)了16%，選擇正確的通風(fēng)機(jī)可以極大地保障作業(yè)人員及生產(chǎn)的安全。通風(fēng)機(jī)的類型主要有兩種， 分別為離心和軸流， 本文對FBCDZ-6-980 系列的對旋軸流式通風(fēng)機(jī)進(jìn)行分析，其中Z、D、C、B 和F 分別代表了主要通風(fēng)機(jī)、對旋式、抽出式、防爆及風(fēng)機(jī)，其電機(jī)型號為YBF450S2-6。這類通風(fēng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)見表1。

通風(fēng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包含了葉輪、擴(kuò)散器、消聲器等。該類通風(fēng)機(jī)所具有的特征主要為：葉輪中的葉片可以自由轉(zhuǎn)動，依據(jù)角度來對風(fēng)量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，具有較好的工作性能，可以維持穩(wěn)定的運(yùn)行；風(fēng)機(jī)可以完成反轉(zhuǎn)及反風(fēng)操作，極大降低了通風(fēng)系統(tǒng)的成本；葉輪與電機(jī)之間的鏈接可以利用直連形式來實(shí)現(xiàn)，減少能耗及故障率；為了使通風(fēng)機(jī)具備較好的效率，葉輪的安裝采取對旋式，以提升通風(fēng)機(jī)的工作效率。

表1 FBCDZ-6-980 型通風(fēng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表

2 風(fēng)機(jī)的故障形式和特征

通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的故障類型較多，其主要有：

1）轉(zhuǎn)子的不平衡性。該故障產(chǎn)生的原因主要為轉(zhuǎn)子出現(xiàn)了缺陷及其質(zhì)量出現(xiàn)偏心。

2）動、靜摩擦所造成的振動。該故障產(chǎn)生的原因為風(fēng)機(jī)的質(zhì)量或人為因素。

3）葉輪因不平衡而產(chǎn)生振動。導(dǎo)致該故障產(chǎn)生的原因是葉輪所具有的不平衡性。

4）喘振。導(dǎo)致該故障產(chǎn)生的原因是風(fēng)機(jī)的運(yùn)行環(huán)境大多具有較大的風(fēng)壓及風(fēng)流量。

5）出現(xiàn)較高的軸溫。導(dǎo)致該故障產(chǎn)生的原因主要是風(fēng)機(jī)不具有充足的潤滑油或者制冷體系發(fā)生故障，進(jìn)而導(dǎo)致軸承出現(xiàn)了摩擦熱。

6）風(fēng)機(jī)安裝的軸承出現(xiàn)超標(biāo)的振動。導(dǎo)致該故障產(chǎn)生的原因為風(fēng)機(jī)內(nèi)軸承產(chǎn)生的振動超出了規(guī)定的范圍。

3 礦井通風(fēng)機(jī)設(shè)備監(jiān)測參數(shù)的選擇

1）通風(fēng)機(jī)所形成的振動信號。該參數(shù)包含了較為關(guān)鍵的信息，本文通過運(yùn)用傳感器來對水平及垂直方向中軸瓦所產(chǎn)生的振動信號進(jìn)行收集。

2）通風(fēng)機(jī)所形成的電參數(shù)。該參數(shù)信息可以將電機(jī)的工作狀態(tài)加以展現(xiàn)，因此必須對該參數(shù)進(jìn)行有效的檢測及監(jiān)測。

3）通風(fēng)機(jī)所形成的軸溫。導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出現(xiàn)較高軸溫的因素為軸承出現(xiàn)損壞或者缺油、軸承在內(nèi)圈及外圈運(yùn)行時產(chǎn)生故障或者軸承出現(xiàn)扭曲。因此必須對該參數(shù)進(jìn)行精確監(jiān)測。

4 通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

其整體結(jié)構(gòu)主要包含了數(shù)據(jù)的傳輸層、采集層和智能監(jiān)測分析層，其整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 煤礦通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1）智能監(jiān)測分析層。主要功能是收集風(fēng)機(jī)運(yùn)行的各個數(shù)據(jù)，包含數(shù)據(jù)的分析、查詢、展示等。

2）數(shù)據(jù)傳輸層。本文所創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)主要運(yùn)用了ZigBee 網(wǎng)絡(luò)。

3）數(shù)據(jù)采集層。其構(gòu)成主要包含了無線板塊、核心控制器、各個傳感器，其功能在于收集風(fēng)機(jī)中的各個數(shù)據(jù)[3-4]。

4.1 終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

該節(jié)點(diǎn)的設(shè)計主要包含了三個采集節(jié)點(diǎn)，分別為電流電壓的采集、溫度的采集及振動的采集。這三個節(jié)點(diǎn)與傳感器相區(qū)別。本次設(shè)計主要對電源、傳感器、電路等模塊進(jìn)行設(shè)計，其整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)的總體構(gòu)架

1）電源板塊。所運(yùn)用的電池為鏗電池。

2）擴(kuò)展接口板塊。其功能主要是具有擴(kuò)展作用，例如顯示器等。

3）傳感器板塊。主要利用振動及溫度兩個傳感器來檢測風(fēng)機(jī)的振動、電流等各個信號。

4）無線通信板塊。其功能是將風(fēng)機(jī)的各個工作參數(shù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器內(nèi)，并執(zhí)行各個指令。

5）微控制器板塊。主要是利用MCU 來確保無線傳感器維持可靠有效的運(yùn)行。

4.2 傳感器的模塊選型和設(shè)計

該模塊的功能是對通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，對通風(fēng)機(jī)的電壓、電流等各個參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。

1）振動傳感器。該傳感器的類型主要有位移、速度及加速器三種傳感器。該傳感器進(jìn)行檢測的方法及運(yùn)用見表2。

表2 振動傳感器的實(shí)際測量方法及運(yùn)用

2）溫度傳感器。該傳感器的類型主要有熱電偶、數(shù)字式等。其作用主要是對電機(jī)中定子及軸承的溫度進(jìn)行檢測。

3）電量傳感器。為了將通風(fēng)機(jī)中電流及電壓的工作狀態(tài)加以反映，本文采取了C2300 型霍爾傳感器，可以對電壓及電流的數(shù)值進(jìn)行檢測。這類傳感器所具有的特征主要為：運(yùn)行電壓為+12 V 或者+15 V；運(yùn)行溫度為-40～85 ℃；響應(yīng)的時間≤5 us；輸出電壓的額定值為1%FS；電流所處的范圍為0～±600 A。

4.3 電源模塊原理

終端電源運(yùn)用了鏗電池。振動及溫度兩個傳感器、單片機(jī)電源的輸入電壓為3.3 V，電量傳感器的供電電壓為12 V。該模塊的原理如圖3 所示。

圖3 電源模塊的原理

4.4 儲存器模塊設(shè)計

該模塊所運(yùn)用的儲存器為K9G8G08UOA 型，其所具有的工作電壓處于2.7～3.6 V 之間，所運(yùn)用的芯片主要為8 位總線型，內(nèi)存量為1 GB。

在設(shè)計的過程中，其協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)中的儲存器主要采取內(nèi)存為1 GB 的NAND Flash 為電路。為了使操作更為便捷，對ARMS3 C2440 的Flash 控制寄存器進(jìn)行一定的設(shè)置，從而對儲存器進(jìn)行有效的控制[5-8]。S3 C2440 與K9 G8 G08 UO A 相互連接的電路原理如下頁圖4 所示。

圖4 S3C2440 和K9G8G08U0A 連接的電路原理

4.5 監(jiān)測軟件設(shè)計

該設(shè)計主要涵蓋了報警功能、數(shù)據(jù)報表、監(jiān)測頁面等。該監(jiān)測軟件的功能綜合結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

5 結(jié)語

通過對礦井通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)及分析，基于該通風(fēng)機(jī)所具有的結(jié)構(gòu)特征及其故障類型，研發(fā)礦井通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，為礦井實(shí)現(xiàn)自動化及信息化提供可靠的技術(shù)支撐。

圖5 系統(tǒng)監(jiān)測軟件的整體功能結(jié)構(gòu)