礦井通風(fēng)機(jī)供電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

崔 鑫

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)太原公司，山西 太原 030016）

引言

隨著現(xiàn)代智能技術(shù)的快速發(fā)展，煤炭企業(yè)也在進(jìn)行自身的轉(zhuǎn)型升級，提升煤炭資源的開采效率。其中礦井通風(fēng)機(jī)隨著開采設(shè)備的升級與新技術(shù)的應(yīng)用，通風(fēng)效率得到不斷提升，使通風(fēng)量能夠根據(jù)礦井內(nèi)易燃易爆氣體濃度的變化而改變。通風(fēng)機(jī)得益于供電系統(tǒng)的配電，能夠保持正常的工作狀態(tài)，為井下作業(yè)人員輸送新鮮的空氣[1]。但是目前通風(fēng)機(jī)供電線路比較長，大多數(shù)煤礦設(shè)置的變配電所至通風(fēng)機(jī)的距離至少在10 km以上，而能夠隨時監(jiān)測長距離輸送電路中產(chǎn)生的故障是保障通風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵所在。尤其電網(wǎng)系統(tǒng)在礦井惡劣的作業(yè)環(huán)境中長時間受到工作設(shè)備負(fù)荷波動的影響，極其容易出現(xiàn)各類故障，造成安全隱患[2-3]。

應(yīng)用通風(fēng)機(jī)供電監(jiān)控系統(tǒng)，可以及時發(fā)現(xiàn)供電系統(tǒng)出現(xiàn)的故障類型及位置，實(shí)現(xiàn)對通風(fēng)機(jī)的動態(tài)保護(hù)功能。

1 通風(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)的安全因素

礦井通風(fēng)機(jī)所搭載的高壓電網(wǎng)主線的傳輸長度較長，一般可以達(dá)到10 km，采用兩條進(jìn)電線路。通過變壓器將高壓降至6 kV左右，為主通風(fēng)機(jī)提供主電源和備用電源，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)的不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)。礦井常用的供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[4]。

1.2 無功補(bǔ)償裝置的安全問題

圖1 礦井常見供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

隨著自動化及智能化電氣設(shè)備的普及應(yīng)用，礦井通風(fēng)機(jī)的各類電器監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行會影響整個電網(wǎng)負(fù)載波動變化。雖然監(jiān)測設(shè)備對通風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行有幫助，但會對電網(wǎng)的供電質(zhì)量造成不利的影響，無功補(bǔ)償?shù)木_度就會受到影響。無功補(bǔ)償在通風(fēng)機(jī)電網(wǎng)系統(tǒng)中存在的問題主要包括無功補(bǔ)償裝置的問題和無功補(bǔ)償量的問題[5]。無功補(bǔ)償裝置的問題主要包括開關(guān)設(shè)計(jì)不合理、補(bǔ)償速度很慢、采樣方法不實(shí)用、電容器諧波、投切振蕩；無功補(bǔ)償量的問題主要分為兩類，即對電網(wǎng)系統(tǒng)無功功率的變化不能及時響應(yīng)，及無功補(bǔ)償時機(jī)策略不恰當(dāng)。

1.3 繼電保護(hù)故障

通風(fēng)機(jī)電網(wǎng)系統(tǒng)容易出現(xiàn)繼電保護(hù)故障，主要是異步電機(jī)的繼電保護(hù)出現(xiàn)故障的頻率較高。在設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)監(jiān)測時，應(yīng)特別側(cè)重異步電機(jī)的故障數(shù)據(jù)變化。

在通風(fēng)及電壓數(shù)據(jù)較小的時候，會出現(xiàn)重復(fù)啟動，造成局部的電流過大，產(chǎn)生大量熱量。此外，通風(fēng)機(jī)在礦井惡劣環(huán)境長時間運(yùn)行后會出現(xiàn)老化現(xiàn)象，可能使電網(wǎng)產(chǎn)生短路。同時，電網(wǎng)電壓有波動時，可能使電機(jī)的三相電壓出現(xiàn)斷相運(yùn)行故障。

2 供電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

為了及時掌握通風(fēng)機(jī)的故障信息，提出通風(fēng)機(jī)動態(tài)保護(hù)策略，將通風(fēng)機(jī)的動態(tài)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)置為三個功能單元，分別為風(fēng)機(jī)監(jiān)測、通訊和后臺控制。上述三個功能單元分別可對應(yīng)其功能模塊，以PLC為中央核心處理器，采用以太網(wǎng)作為通訊數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議網(wǎng)絡(luò)，每一個故障監(jiān)測模塊都連接報警電路，能夠?qū)崿F(xiàn)及時的報警信號傳輸，設(shè)計(jì)整體監(jiān)控方案如圖2所示。

圖2 供電監(jiān)控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意圖

以PLC控制核心部件的供電監(jiān)測系統(tǒng)可以分為信號和動作兩個部分，總體采用的串口通信協(xié)議模式為RS485，能夠?qū)崿F(xiàn)交換機(jī)與上位機(jī)的連接，通過開關(guān)指示燈等，對故障信號的顯示進(jìn)行預(yù)警。同時操作人員也可以在控制系統(tǒng)的自動裝置出現(xiàn)故障時手動操作，PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

采用Matlab數(shù)據(jù)分析軟件，結(jié)合數(shù)據(jù)庫應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)，將軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)通過ODBC協(xié)議進(jìn)行聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)Matlab數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)庫讀取的聯(lián)合應(yīng)用。此外采用OPC協(xié)議與組態(tài)軟件進(jìn)行通訊，使上位機(jī)監(jiān)測界面能夠?qū)崿F(xiàn)報警信息顯示的功能，通風(fēng)機(jī)供電監(jiān)測系統(tǒng)軟件框架設(shè)計(jì)如圖4所示。

軟件部分最主要實(shí)現(xiàn)的功能是可視化界面監(jiān)控既要在符合實(shí)際工況條件的基礎(chǔ)上可視化觀察主通風(fēng)機(jī)的參數(shù)模型，又要能夠在監(jiān)控系統(tǒng)界面對電流、電壓、無功功率等數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。當(dāng)上述數(shù)據(jù)超過安全限值的時候?qū)⒊霈F(xiàn)聲光報警，告知監(jiān)控系統(tǒng)觀察專業(yè)技術(shù)人員。主通風(fēng)機(jī)監(jiān)測計(jì)算機(jī)界面如圖5所示。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件框架設(shè)計(jì)示意圖

圖5 主通風(fēng)機(jī)監(jiān)測界面示意圖

通過與硬件的結(jié)合，軟件系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的查詢，實(shí)時數(shù)據(jù)的查看及相應(yīng)報表的輸出，可在煤礦企業(yè)市場管理中起到重要的作用。該軟件系統(tǒng)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，使通風(fēng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)或者停止，當(dāng)通風(fēng)機(jī)的電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，可將故障進(jìn)行有效隔離，避免故障擴(kuò)大。同時也對管理人員及操作人員的權(quán)限進(jìn)行設(shè)置，避免多頭管理和重復(fù)操作等冗余動作的發(fā)生。

3 應(yīng)用測試分析

實(shí)時趨勢曲線是以檢測信號的類別與信號間的關(guān)系進(jìn)行分類并分組顯示。采集的參數(shù)有電壓、電流、功率因數(shù)、有功功率、無功功率。

通過OPC連接組態(tài)王和Matlab，將電流數(shù)據(jù)組導(dǎo)入Matlab中，以達(dá)到不同順序的擬合預(yù)測效果，然后將下一秒的預(yù)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給組態(tài)王以完成預(yù)測。Matlab的快速運(yùn)算和OPC的同步傳輸，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時正確性。通過對歷史運(yùn)行電流、實(shí)時運(yùn)行電流的擬合，預(yù)測、判別運(yùn)行狀態(tài)。

把通風(fēng)機(jī)的實(shí)時運(yùn)行電流值與歷史運(yùn)行電流值的預(yù)測結(jié)果傳入組態(tài)王，通過Matlab進(jìn)行預(yù)測數(shù)據(jù)故障判別后，返回組態(tài)王“風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)”的離散值。運(yùn)行狀態(tài)不同，輸出的離散值也不同，即1、2、3、4分別表示優(yōu)、良、中、差，分別對應(yīng)不同的指示燈閃爍。當(dāng)輸出狀態(tài)為中、差時，發(fā)出警報。同時也為監(jiān)控系統(tǒng)添加了報表部分和報警部分，完善了監(jiān)控系統(tǒng)。這些對于監(jiān)測通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和故障具有非常重要的實(shí)用價值。

4 結(jié)語

對礦井通風(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測是確保礦井內(nèi)安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。通過設(shè)計(jì)通風(fēng)機(jī)供電監(jiān)測系統(tǒng)，對故障運(yùn)行狀態(tài)分析并自動劃分等級，并將其應(yīng)用于工程現(xiàn)場測試，對煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)管理技術(shù)人員進(jìn)行管理輔助，提升礦井通風(fēng)機(jī)的安全性、可靠性、穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)自動化、智能化發(fā)展。