煤礦通風(fēng)機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

馮 亮

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大斗溝煤業(yè)有限公司，山西 大同 037031）

引言

煤礦井下采掘施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵以及有害氣體，主要通過(guò)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行排除，同時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)可為井下作業(yè)人員提供新鮮風(fēng)流。通風(fēng)機(jī)是通風(fēng)系統(tǒng)中重要通風(fēng)設(shè)施之一，一旦煤礦井下通風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障，嚴(yán)重威脅著煤礦安全生產(chǎn)。傳統(tǒng)煤礦通風(fēng)機(jī)主要通過(guò)人工方式進(jìn)行檢修維護(hù)，即人工定期巡檢、人工定期檢修維護(hù)，但是該方式自動(dòng)化水平低、勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度大，而且對(duì)通風(fēng)機(jī)故障檢修效率差，無(wú)法滿足煤礦穩(wěn)定通風(fēng)需求。

本文重點(diǎn)介紹了一種以PLC技術(shù)的風(fēng)機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)對(duì)煤礦通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)各類(lèi)機(jī)械、過(guò)熱故障進(jìn)行報(bào)警，從而有效實(shí)現(xiàn)了地面對(duì)井下通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程檢修，提高了煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)可靠性及穩(wěn)定性。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1）風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由采集裝置、控制中心、擴(kuò)展模塊、變頻器、通信系統(tǒng)、轉(zhuǎn)換模塊、中繼器以及斷路器等部分組成；其中采集裝置主要由空氣壓力變送器、瓦斯傳感器、風(fēng)機(jī)軸承溫度傳感器等部分組成；控制中心主要由PLC控制器、遠(yuǎn)程上位機(jī)等部分組成；擴(kuò)展模塊分為EM231擴(kuò)展模塊和EM235擴(kuò)展模塊[1-2]。

2）信息采集裝置將風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的風(fēng)壓、軸承溫度以及周?chē)h(huán)境瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)采集，然后發(fā)送至PLC控制器內(nèi)進(jìn)行處理，通過(guò)PLC控制器分析處理后，判斷風(fēng)機(jī)故障類(lèi)型，同時(shí)將收集的數(shù)據(jù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)專(zhuān)用的組態(tài)軟件對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況進(jìn)行直觀顯示；其中PLC控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件選型

2.1 PLC控制器

圖1 PLC控制器控制示意圖

1）PLC控制器主要由CPU、存儲(chǔ)模塊、輸入與輸出接口以及供電電源等部分組成，通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中PLC控制器選擇時(shí)必須考慮成本費(fèi)用、數(shù)據(jù)采集類(lèi)型、容量以及使用的I/O點(diǎn)數(shù)等；大斗溝礦對(duì)進(jìn)行通風(fēng)機(jī)安裝的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中PLC控制器型號(hào)為西門(mén)子S7-2550型，該類(lèi)型的PLC控制器主要具有升級(jí)簡(jiǎn)單、便于編程、安全性能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用[3]。

2）系統(tǒng)初始化后按照先后順序?qū)Ω黝?lèi)模塊進(jìn)行掃描，將采集的各類(lèi)信息進(jìn)行分析處理，然后利用溫度判斷可能存在電機(jī)磨損、軸承變形等故障情況，利用供電參數(shù)判斷電纜破損、電機(jī)過(guò)載缺相等故障。

3）最后PLC控制器將判別結(jié)果上傳至上位機(jī)并通過(guò)界面進(jìn)行顯示，并進(jìn)行自動(dòng)保護(hù)，防止風(fēng)機(jī)發(fā)生重大事故，通過(guò)系統(tǒng)程序設(shè)置中斷程序接口，實(shí)現(xiàn)快速反風(fēng)的目的[4]。

2.2 轉(zhuǎn)換模塊

轉(zhuǎn)換模塊是系統(tǒng)中不可缺少的一部分，主要對(duì)各種數(shù)字以及模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)各類(lèi)傳感器采集的溫度、壓力等模擬量同樣通過(guò)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并以數(shù)字形式存儲(chǔ)到PLC控制器內(nèi)，監(jiān)控系統(tǒng)中主要采用EM231模擬量輸入輸出模塊對(duì)溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，采用EM235模擬量輸入輸出模塊對(duì)瓦斯?jié)舛纫约皦毫Φ葦?shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)主要利用溫度變送器進(jìn)行溫度采集。

2.3 變頻器

風(fēng)機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中利用電機(jī)與變頻器相互配合實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的節(jié)能增效，同時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，變頻器投入使用后有效解決了傳統(tǒng)串電阻調(diào)速時(shí)出現(xiàn)沖擊力大、能耗大等技術(shù)難題，該風(fēng)機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)采用的變頻器型號(hào)為MicroMaster440，額定電流為75 A，該變頻器具有矢量控制性能高、過(guò)載保護(hù)功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，過(guò)載承受強(qiáng)度達(dá)2倍以上[5]。

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 PLC控制器控制軟件

PLC控制器控制軟件主要采用STEP7-Micro/WIN編程設(shè)計(jì)的，控制軟件可對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下功能：手動(dòng)控制功能、自動(dòng)控制功能、溫度自動(dòng)監(jiān)控功能、壓力自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能、瓦斯?jié)舛茸詣?dòng)監(jiān)測(cè)功能以及風(fēng)機(jī)故障自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能，具體控制流程如圖2所示。

圖2 PLC控制軟件控制流程示意圖

3.2 主機(jī)系統(tǒng)軟件

主機(jī)系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下通風(fēng)機(jī)井下遠(yuǎn)程監(jiān)控，并與PLC控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，主機(jī)系統(tǒng)軟件采用的是西門(mén)子公司與微軟合作開(kāi)發(fā)的WinCC組態(tài)軟件，該軟件可將井下各類(lèi)傳感器收集的數(shù)據(jù)以動(dòng)畫(huà)模擬的方式進(jìn)行直觀顯示，從而便于操作人員直觀控制，并利用圖像編輯器高效快捷模擬處井下通風(fēng)機(jī)運(yùn)行畫(huà)面；通風(fēng)機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)主機(jī)系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)了井上下通信以及設(shè)備自動(dòng)遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)機(jī)無(wú)人值守的目的。

主機(jī)系統(tǒng)通過(guò)組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)顯示井下風(fēng)機(jī)工況畫(huà)面，操作界面簡(jiǎn)潔，內(nèi)容齊全，操作人員可遠(yuǎn)程對(duì)井下通風(fēng)機(jī)各類(lèi)參數(shù)井下觀察和監(jiān)測(cè)，并可實(shí)時(shí)查看通風(fēng)機(jī)供風(fēng)風(fēng)量、供風(fēng)風(fēng)速、供風(fēng)壓、風(fēng)機(jī)電機(jī)參數(shù)、電機(jī)軸承穩(wěn)定以及風(fēng)機(jī)周?chē)h(huán)境有害氣體濃度等；同時(shí)主機(jī)系統(tǒng)可對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)以報(bào)表的形式進(jìn)行儲(chǔ)存、打印，從而便于操作人員查閱。

3.3 通信系統(tǒng)

通風(fēng)機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中采用的通信系統(tǒng)主要采用Modbus通信協(xié)議，設(shè)置的波特率為4 600 bit/s，通信系統(tǒng)主要包括外界溫度巡檢子程序和采集供配電開(kāi)關(guān)參數(shù)子程序，通信系統(tǒng)及時(shí)將各類(lèi)傳感器收集的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行風(fēng)類(lèi)、填充，并采用通信收發(fā)程序塊將數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行傳輸；同時(shí)通信系統(tǒng)可利用CP343以太網(wǎng)通信模塊，與網(wǎng)路監(jiān)控分站實(shí)時(shí)連接，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸以及多系統(tǒng)集中控制等。

4 實(shí)際應(yīng)用效果分析

2021年2月大斗溝煤礦對(duì)5201巷道局部通風(fēng)機(jī)各安裝了一套通風(fēng)機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，截至2021年8月通過(guò)6個(gè)月實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，局部通風(fēng)機(jī)安裝自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)后，共計(jì)檢測(cè)到風(fēng)機(jī)故障6起，且及時(shí)報(bào)警井下處理，局部通風(fēng)機(jī)故障率由原來(lái)的11%降低至5%以下，提高了風(fēng)機(jī)安全性能；同時(shí)風(fēng)機(jī)安裝該系統(tǒng)后風(fēng)機(jī)檢修維護(hù)人員由原來(lái)的3人減少為1人即可，大大降低了勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度。