煤礦主通風(fēng)機(jī)中在線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

郭建華

（山東省三河口礦業(yè)有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)寧277605）

0 引言

煤礦是推動(dòng)國(guó)家快速發(fā)展及綜合國(guó)力提升的重要能源，各電力發(fā)電廠基本是利用煤炭資源進(jìn)行電力發(fā)電，為此，煤礦企業(yè)加大了對(duì)煤炭資源的開(kāi)采力度。由于井下環(huán)境的復(fù)雜性，整體通風(fēng)性能較差，長(zhǎng)期如此，會(huì)使井下產(chǎn)生粉煤灰和瓦斯的聚集，一旦遇到火花，極易發(fā)生爆炸[1]。因此，在礦井建設(shè)中，安裝了主通風(fēng)機(jī)設(shè)備，用于將外部新鮮空氣輸送至井下開(kāi)采區(qū)域，將污濁空氣排出至礦井外部，以保證整個(gè)礦井中具有較好的空氣質(zhì)量[2]。但在風(fēng)機(jī)排風(fēng)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)夾雜著較多的灰塵或碎石，導(dǎo)致主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，極可能出現(xiàn)電機(jī)異常振動(dòng)、發(fā)生異響、軸承溫度過(guò)高等現(xiàn)象，這對(duì)保障井下空氣質(zhì)量及作業(yè)安全構(gòu)成了重要威脅[3]。采用先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)，對(duì)礦用主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，已成為當(dāng)前提高主通風(fēng)機(jī)性能的主要方向。為此，在分析礦用主通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)情況下，開(kāi)展了通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，并對(duì)該監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，驗(yàn)證了該監(jiān)控系統(tǒng)的可行性，其借鑒及應(yīng)用價(jià)值較大。

1 主通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)分析

根據(jù)礦井中通風(fēng)機(jī)的用途，將通風(fēng)機(jī)分為了主通風(fēng)機(jī)和局部通風(fēng)機(jī)，而抽出式通風(fēng)主通風(fēng)機(jī)則主要安裝在礦井回風(fēng)井口，從礦井內(nèi)抽出乏風(fēng)。目的是向井下各工作場(chǎng)所連續(xù)不斷地輸送適量的新鮮空氣用以沖淡并排出從井下煤巖層中涌出的或在煤炭生產(chǎn)過(guò)程中形成的一切有毒、有窒息性、可燃性、易爆性的氣體以及粉塵和水蒸氣；調(diào)節(jié)煤礦井下的氣候條件，創(chuàng)造良好的生產(chǎn)環(huán)境，保證井下機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行，保障井下作業(yè)人員身體健康和安全，使生產(chǎn)作業(yè)人員充分發(fā)揮勞動(dòng)效能和促進(jìn)勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高，達(dá)到安全生產(chǎn)目的。目前，礦井中應(yīng)用較多的是軸流式主通風(fēng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)主要由集流器、整流罩、電動(dòng)機(jī)、基座、葉輪、擴(kuò)壓器等組成，其中，整流罩則與集流器一起，形成通風(fēng)機(jī)的風(fēng)道，以提高通風(fēng)機(jī)的流量和通風(fēng)效率[4]。同時(shí)，擴(kuò)壓器則主要是將通風(fēng)機(jī)中的動(dòng)壓轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓，以降低主通風(fēng)機(jī)的工作噪聲，提高通風(fēng)效率。為進(jìn)一步開(kāi)展主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，選用了FB CD Z型主通風(fēng)機(jī)，該通風(fēng)機(jī)具防爆、噪聲低、通風(fēng)效率高等特點(diǎn)[5]。

通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，為盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行故障，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，可通過(guò)對(duì)主通風(fēng)機(jī)中電機(jī)振動(dòng)、軸承溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[6]。其中，主通風(fēng)機(jī)中的溫度檢測(cè)點(diǎn)可設(shè)計(jì)在進(jìn)風(fēng)口軸承、中部軸承、出風(fēng)口軸承上，以實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)作業(yè)時(shí)溫度數(shù)據(jù)采集；振動(dòng)檢測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)在電機(jī)和風(fēng)機(jī)2個(gè)部件上，以分別實(shí)現(xiàn)對(duì)部件水平和垂直方向的振動(dòng)情況監(jiān)測(cè)，溫度及振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖如圖1所示。

圖1 主通風(fēng)機(jī)中溫度及振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

2 監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)設(shè)計(jì)

根據(jù)礦主通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布情況，進(jìn)行了監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，監(jiān)控系統(tǒng)總體框架圖如圖2所示。

圖2 主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)總體框架圖

所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由路由節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)、控制器、監(jiān)測(cè)主機(jī)、協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)等組成，其中，傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)對(duì)主通風(fēng)機(jī)上溫度、振動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；路由節(jié)點(diǎn)主要完成所采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸及無(wú)線接收。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用W5500以太網(wǎng)芯片實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用TC P/I P和RS485通信接口，能有效保證所傳輸信號(hào)及網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。振動(dòng)器傳感器選用H S421型號(hào)，溫度傳感器選用P T100型號(hào)，監(jiān)控系統(tǒng)的無(wú)線通信模塊采用CC2530型芯片，能保證整套系統(tǒng)的無(wú)線通信連接可靠性。監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先通過(guò)前端的溫度及振動(dòng)傳感器將采集的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸至C P U處理器把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、邏輯判斷及故障診斷，然后將信號(hào)傳輸至顯示屏上實(shí)時(shí)顯示通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)參數(shù)。當(dāng)通風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)能及時(shí)發(fā)出對(duì)應(yīng)的報(bào)警提示，以便人員可快速對(duì)故障進(jìn)行排除。

3 監(jiān)控系統(tǒng)部分分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 關(guān)鍵傳感器選型設(shè)計(jì)

結(jié)合前文分析，在整套監(jiān)控系統(tǒng)中，需對(duì)主通風(fēng)機(jī)中電機(jī)及軸承進(jìn)行溫度及振動(dòng)情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)采集，需匹配相應(yīng)的傳感器。因此，經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，振動(dòng)傳感器選用H S421型振動(dòng)加速傳感器，其工作電壓DC24 V，輸出信號(hào)為4～20 mA，頻率范圍2H z-10 k H z，能實(shí)現(xiàn)高精度的振動(dòng)檢測(cè)要求；溫度傳感器選用市場(chǎng)上成熟的P T100型號(hào)，其核心的感溫元件采用的鉑熱電阻，能隨溫度的變化而發(fā)生變化，該傳感器的溫度檢測(cè)范圍為0℃～100℃，工作電壓DC24 V，輸出的信號(hào)為電阻值，能滿足主通風(fēng)機(jī)中電機(jī)、軸承的溫度檢測(cè)需求，其實(shí)物圖見(jiàn)圖3。

圖3 P T100溫度傳感器

3.2 電壓轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

由于所選用的傳感器及監(jiān)控系統(tǒng)中的其他元器件均采用的是低壓直流電源，包括傳感器中的DC24 V，差動(dòng)放大器中L M324芯片使用的DC15 V，以及其他模塊的DC3.3 V，故需設(shè)計(jì)電壓轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。首先設(shè)計(jì)了變頻器，能將外部的AC220 V轉(zhuǎn)換為DC24 V，經(jīng)過(guò)選用的MDA（M）5-24D15穩(wěn)壓芯片，能將DC24 V轉(zhuǎn)換為DC15 V；同時(shí)，采用的L M2576T-3.3電源轉(zhuǎn)換芯片，能將DC15 V電壓轉(zhuǎn)換為更低的DC3.3 V，以供其他芯片模塊使用。在電壓轉(zhuǎn)換模塊中也配備了電容、電阻等元器件，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電路的有效轉(zhuǎn)換和保護(hù)。所設(shè)計(jì)的電壓轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

圖4 電壓轉(zhuǎn)換電路圖

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

在此監(jiān)控系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需對(duì)系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用B/S系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，利用MATLA B軟件進(jìn)行軟件程序的編程，程序語(yǔ)言采用H T ML進(jìn)行開(kāi)發(fā)，控制系統(tǒng)采用Win10操作系統(tǒng)，軟件中網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)采用AS P中的AD O組件和數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行調(diào)用完成。軟件部分主要包括了登錄界面、通風(fēng)運(yùn)行參數(shù)及狀態(tài)的主界面、歷史數(shù)據(jù)曲線、報(bào)警界面、故障診斷分析等，不僅能使主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)通過(guò)主界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，也能針對(duì)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)的溫度過(guò)高、電機(jī)振動(dòng)故障等異常情況及時(shí)發(fā)出報(bào)警提示，此時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)相關(guān)控制命令，人員可通過(guò)顯示及報(bào)警內(nèi)容對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行維修管理。軟件部分的框架圖如圖5所示。

圖5 主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件部分框架圖

4 監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用評(píng)價(jià)

將監(jiān)控系統(tǒng)集成在FB CD Z型主通風(fēng)機(jī)上，進(jìn)行了為期近6個(gè)月的運(yùn)用測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行正常，能實(shí)時(shí)將主通風(fēng)機(jī)溫度參數(shù)、振動(dòng)情況等信息顯示在主界面上，且數(shù)據(jù)傳輸速度相對(duì)較快；同時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到溫度及振動(dòng)幅度超過(guò)設(shè)置的報(bào)警上限時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)能及時(shí)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警提示，在溫度或振動(dòng)幅度降低后，系統(tǒng)報(bào)警則自動(dòng)取消。另外，通過(guò)主界面也能將通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行故障進(jìn)行顯示，并發(fā)出相應(yīng)的提示聲，人員可根據(jù)故障類型及位置，快速對(duì)故障進(jìn)行排除，主界面顯示圖如圖6所示。據(jù)操作人員反饋，系統(tǒng)運(yùn)行期間，主通風(fēng)機(jī)的故障率大大降低，井下的通風(fēng)效果也明顯增強(qiáng)，降低了維護(hù)人員的作業(yè)強(qiáng)度，監(jiān)控系統(tǒng)得到了工作人員的一致認(rèn)可，由此，驗(yàn)證了該監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性及可行性。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行主界面圖

5 結(jié)論

對(duì)礦井主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行安全，已成為保證井下作業(yè)安全的重要環(huán)節(jié)。為此，分析了主通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)通風(fēng)機(jī)上監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了布置設(shè)計(jì)，開(kāi)展了礦用主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及部分分系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，通過(guò)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)在FB CD Z型主通風(fēng)機(jī)上的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試得出：所設(shè)計(jì)的主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠，能快速對(duì)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)及故障情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和顯示，降低了通風(fēng)機(jī)的故障率和作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，得到了人員的一致認(rèn)可，這對(duì)提高礦井中主通風(fēng)機(jī)的使用壽命及井下作業(yè)安全具有重要意義。