礦用通風機在線監(jiān)控系統(tǒng)的設計與研究

郭俊玲

（山西新安工程設計咨詢有限公司，山西 太原 030006）

引言

井下煤礦開采環(huán)境存在閉塞、易出現(xiàn)有害氣體聚集等情況，因此井下煤礦開采安全生產的前提是保證地面新鮮空氣源源不斷地輸入地下空間。通風機就承擔了往井下輸送新鮮空氣的責任，因此通風機設備的運行狀況直接關系到礦井生產的安全及企業(yè)的經濟效益。根據(jù)相關資料統(tǒng)計，煤礦安全事故中約占60%與礦井通風故障和操作管理不當有關，由此可見提高輸送機的可靠性具有重要意義。

由于井下設備眾多，人工管理起來非常復雜，很難做到對設備的實時巡檢。實時性、可靠性很不理想，具有很大的安全隱患。通風機在線監(jiān)控系統(tǒng)的誕生就解決了管理難的問題，監(jiān)控系統(tǒng)基于PLC 控制技術、無線通信技術、變頻控制技術等，實現(xiàn)對通風機的實時監(jiān)測與控制，可實現(xiàn)24 h 不間斷地對設備的狀況進行監(jiān)測與控制，減輕了工作人員的勞動強度的同時，極大地提高了設備的工作效率[1]。

1 礦用通風機

通風機雖然有較多的類型，但其基本結構與原理是相似的，礦井主通風系統(tǒng)一般設置有兩個通風口進行通風，兩個通風口互為備份，當一處的設備出現(xiàn)故障時，可以啟用另一處通風口。如圖1 所示為軸流式風機的一般結構，該型通風機能夠在煤礦生產企業(yè)中得到廣泛的應用，因為其具有較多的顯著優(yōu)點。其主要結構特點是電動機軸承和風扇葉片軸承直接連接在驅動電機軸承上，這樣傳遞效率高，通風噪聲小，可以有效降低設備工作能耗[2]。

如圖1 所示，通風機集流器主要作用是收集進入通風機的氣體，使氣體通過通風機時更加平穩(wěn)順暢；消音器的作用是降低通風機工作時產生的噪聲；整流罩可以改善空氣流動特性；電動機是通風機輸送氣體的動力來源；一、二級葉輪的主要作用是將驅動電機的旋轉動能轉化為空氣向前運動的動能，使得空氣被壓縮而具有更好的動能；擴壓器的作用是回收風機的動壓，使通風機的靜壓比例得以提高，改善空氣流通特性。

圖1 通風機結構圖

2 控制系統(tǒng)總體設計

控制系統(tǒng)的總體設計需要滿足一定的設計原則，同時要能夠實現(xiàn)對通風機的在線監(jiān)測與控制，以某煤礦為研究背景，設計主通風機的變頻控制和在線監(jiān)控系統(tǒng)，該通風機控制系統(tǒng)總體布置結構如圖2所示。該系統(tǒng)主要包括三層結構：第一層結構為檢測終端，主要是檢測設備狀態(tài)參數(shù)的各類傳感器；第二層結構設計為無線通信技術與信號交互設備，主要負責將采集到的信息傳遞至地面控制中心；第三層結構為中央控制計算機，主要負責對整個控制系統(tǒng)的信號顯示與設備控制等操作[3]。

圖2 礦井主通風在線監(jiān)控系統(tǒng)結構

根據(jù)項目的實際需要，提出了通風機在線監(jiān)測系統(tǒng)各項功能設計指標，總結如下：實現(xiàn)對主通風機速度的變頻控制功能；監(jiān)測環(huán)境氣體參數(shù)；能夠對潛在危害實時報警；通風機驅動電機狀態(tài)監(jiān)控與控制等。主通風機在線監(jiān)控系統(tǒng)方案采用的是“集中式管理，分散式控制”的系統(tǒng)架構，實現(xiàn)對通風機的監(jiān)測與控制[4]。

3 系統(tǒng)硬件設計

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》等相關的系統(tǒng)安全規(guī)范，井下監(jiān)控系統(tǒng)采用了兩套獨立的供電系統(tǒng)；控制系統(tǒng)的硬件結構設計在滿足其自身功能的基礎上，力求具有更好的性能。下面對通風機監(jiān)控系統(tǒng)的主要硬件結構的設計作簡要介紹：

3.1 變壓器

主通風機系統(tǒng)低壓配電柜的兩個獨立的電源是由2 臺變壓器組成，變壓器設計采用了寧德時代的R11-1000/6/0.4kV，變壓器工作容量為1 000 kVA。

3.2 PLC 控制器

系統(tǒng)中控制器是監(jiān)控系統(tǒng)的核心，控制器的性能直接影響到控制系統(tǒng)的靈敏度及監(jiān)控精度，該系統(tǒng)中設計選用德國SIEMENS 公司的SIMATICM6-240 系列PLC 控制器，該型PLC 控制器具有性能優(yōu)越、穩(wěn)定性好、操作簡單等優(yōu)點，如圖3 所示，為SIMATICM6-240 系列PLC 控制器基本結構示意圖[5]。

圖3 PLC 控制器結構

3.3 變頻器

驅動電機的變頻器，設計選用寧德時代的ET70-45 型變頻器，該型變頻器長期以來在煤礦通風機領域都有一個較好的應用效果，該產品具有可靠性好、適應性強的優(yōu)點，非常適用于進行環(huán)境。

其他設備硬件如瓦斯?jié)舛葯z測傳感器、礦用風速傳感器、通風機振動傳感器、參數(shù)的采集傳輸?shù)仍O備的設計選型均滿足系統(tǒng)設計要求[6]。

4 系統(tǒng)軟件設計

軟件程序是控制系統(tǒng)的靈魂，對于整個控制系統(tǒng)而言，安全平穩(wěn)可靠的軟件系統(tǒng)對保證整個控制系統(tǒng)的性能具有十分重要的作用。該系統(tǒng)在程序設計與編寫過程中，首先對整個礦井主通風控制系統(tǒng)的各項功能以及結構設計進行梳理研究，采用結構化編程，將各個功能子集化，最后將其集成到總的控制系統(tǒng)中。這樣既方便編程，又便于監(jiān)控系統(tǒng)的管理與操作，將整個大的控制系統(tǒng)分解為許多子控制系統(tǒng)塊，子程序監(jiān)測和控制具體的設備，可以節(jié)約較多的時間，實施起來也較容易，如圖4 所示為主程序與子程序結構設計關系。

圖4 軟件程序結構框圖

在系統(tǒng)工作時，主程序在執(zhí)行過程中只是按照一定的邏輯調用每個子系統(tǒng)程序塊，從而實現(xiàn)整個礦井主通風系統(tǒng)的監(jiān)測與控制，軟件結構清晰明確，當子程序出現(xiàn)問題時也可以及時進行修復，避免對全局造成影響。監(jiān)控系統(tǒng)軟件及系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的建立均采用第三方專業(yè)程序編輯公司合作完成，編程軟件采用Siemens 公司的STEP8-Micro/WIN 軟件完成；監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的模型是基于SQL Server 創(chuàng)建。

5 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

在對系統(tǒng)的硬件與軟件等進行設計后，需對系統(tǒng)功能進行聯(lián)調、聯(lián)試，當上位機開啟并正常運行之后，就進入“監(jiān)控主頁”，如下頁圖5 所示為通風機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控界面。在監(jiān)控頁面的菜單欄上，監(jiān)控主頁與其他界面可以自由選擇切換，系統(tǒng)實時顯示通風機的狀態(tài)參數(shù)，并可顯示主通風系統(tǒng)關鍵參數(shù)如風量、電流、電壓、有害氣體濃度等，根據(jù)這些參數(shù)即可判斷通風機的狀態(tài)。

圖5 主通風機運行狀態(tài)監(jiān)測界面

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)在主通風機監(jiān)測畫面，系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了對通風機數(shù)據(jù)的監(jiān)控。通過實踐應用表明，系統(tǒng)整體達到了設計目標，為井下通風系統(tǒng)的設計提供了有力參考。

6 結語

礦用通風機是煤礦安全生產的重要保障，對于保證井下環(huán)境空氣安全起到了非常重要的作用，以某礦業(yè)公司通風機電控系統(tǒng)改造為背景，設計一套通風機在線監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)采用“分散控制，集中管理”的監(jiān)控控制邏輯。在硬件設計方面，設計了合理的控制電路，并且對于PLC、變頻器等硬件的設計與選型作了簡要介紹；在軟件設計方面，利用Siemens 公司STEP7-Micro/WIN 編程軟件實現(xiàn)了下位機PLC 的程序設計，最后實現(xiàn)了對通風機的在線監(jiān)控系統(tǒng)的設計。對監(jiān)控系統(tǒng)各項功能指標進行檢測，均達到了設計要求，該系統(tǒng)的研發(fā)與應用，優(yōu)化了礦井通風系統(tǒng)，提高了通風效率，對通風機監(jiān)控系統(tǒng)的設計具有較大的參考價值。