礦井主扇風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李鵬飛

（山西長(zhǎng)治三元晉永泰煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100）

引言

礦井主扇通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是整個(gè)礦井設(shè)計(jì)內(nèi)容的重要組成部分，是保證安全生產(chǎn)的重要措施。礦井總回風(fēng)就是依靠主扇通風(fēng)機(jī)的動(dòng)力將新鮮空氣順著通風(fēng)路線源源不斷地輸送到井下，以滿足采掘工作面、機(jī)電硐室、運(yùn)輸巷道、倉(cāng)庫(kù)等地點(diǎn)的需要，同時(shí)把帶著各種粉塵、有毒有害氣體、各種廢氣的渾濁空氣抽出到礦井外面。通風(fēng)作為礦井“一通三防”的重要手段，一直都是礦井建設(shè)的首要工作，不論是從部門（通風(fēng)處）設(shè)置，還是領(lǐng)導(dǎo)崗位（通風(fēng)副礦長(zhǎng)或者安全副礦長(zhǎng)）設(shè)置，都能看出其重要程度。

隨著礦山開(kāi)采年代的久遠(yuǎn)，巷道長(zhǎng)度不斷延伸，工作面數(shù)量不斷增多，井下巷道網(wǎng)絡(luò)變得錯(cuò)綜復(fù)雜，對(duì)于礦井通風(fēng)要求也就越來(lái)越高，從而更需要通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備大規(guī)模節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)以及遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信的能力[1]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在礦山領(lǐng)域不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)智慧礦山建設(shè)的目標(biāo)也越來(lái)越近，礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)在“十三五”期間得到了飛躍發(fā)展的機(jī)遇，這期間工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)、先進(jìn)傳感技術(shù)、遠(yuǎn)距離供電和傳輸技術(shù)，以及抗干擾技術(shù)等都取得了突破性的提升?；谶@些先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，可以在工程應(yīng)用上擴(kuò)展到其他的領(lǐng)域，由此本文正是在礦井主扇風(fēng)機(jī)的無(wú)人值守監(jiān)測(cè)管理方面，提出了新的應(yīng)用方案[2-3]。

1 主扇通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

伴隨“中國(guó)制造”名片的打響，我國(guó)機(jī)械加工水平越來(lái)越高，礦井通風(fēng)機(jī)的制造性能也實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的發(fā)展。以我國(guó)目前使用最廣泛的大型主扇FBCDZ 系列大型礦用防爆型主通風(fēng)機(jī)為例，實(shí)際的運(yùn)行最高裝置靜壓效率可達(dá)到86%，此種主扇的轉(zhuǎn)速范圍為730～2 930 r/min，抽出風(fēng)量范圍為4.4～600 m3/s。其特點(diǎn)是：主扇通風(fēng)機(jī)一、二級(jí)主機(jī)由兩臺(tái)電機(jī)及葉輪組成，每臺(tái)電機(jī)軸伸端直接安裝葉輪，兩葉輪互為反向旋轉(zhuǎn)，組成對(duì)旋結(jié)構(gòu)。兩級(jí)葉輪既是工作輪又互為導(dǎo)葉，避免了傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉部分和電機(jī)與葉輪之間傳動(dòng)裝置的能量損失。因此對(duì)旋式主通風(fēng)機(jī)可獲得較高的裝置靜壓效率和節(jié)能效果。

隨著主扇通風(fēng)機(jī)技術(shù)的不斷提高，監(jiān)測(cè)技術(shù)卻還停留在老舊監(jiān)控技術(shù)的基礎(chǔ)上，傳感器大多數(shù)采用頻率信號(hào)傳輸，抗干擾風(fēng)機(jī)變頻干擾能力也比較弱，還有主信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用傳統(tǒng)的基帶、FSK、ASK 等制式信號(hào)，傳輸速率慢，已經(jīng)不符合目前智慧礦山建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)。目前用戶需要的主扇通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須是具有數(shù)字化傳輸，檢測(cè)數(shù)據(jù)全面，測(cè)量精準(zhǔn)，抗干擾能力強(qiáng)，可與其他監(jiān)測(cè)系統(tǒng)融合，具有大數(shù)據(jù)分析處理能力的特點(diǎn)。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的要求，主扇風(fēng)機(jī)的主要性能需要每5 年進(jìn)行一次測(cè)定，而在運(yùn)行期間的主扇風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所有匯集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)此次測(cè)定具有非常重要的參考價(jià)值。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件框圖如下頁(yè)圖1 所示，系統(tǒng)由地面設(shè)備和井下設(shè)備兩部分組成，井下設(shè)備部分是由分布式檢測(cè)單元組成，由其完成采集各個(gè)被檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的物理參數(shù)；檢測(cè)單元將檢測(cè)的物理量參數(shù)通過(guò)RS485 總線傳到綜合監(jiān)控分站，監(jiān)控分站起到傳輸、供電和控制作用，完成檢測(cè)數(shù)值的實(shí)時(shí)顯示，通過(guò)萬(wàn)兆交換機(jī)組成的以太環(huán)網(wǎng)上傳監(jiān)控主機(jī)并進(jìn)行輸出控制；地面監(jiān)控主機(jī)則是完成大數(shù)據(jù)收集、分析處理、數(shù)據(jù)管理、報(bào)表和曲線管理，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)交換機(jī)發(fā)送給其他數(shù)據(jù)服務(wù)器。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到某個(gè)檢測(cè)值超過(guò)了安全閾值時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)地面語(yǔ)音報(bào)警音箱發(fā)出相應(yīng)情況的語(yǔ)音報(bào)警和光報(bào)警[4]。

圖1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)具體的研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：

1）傳輸性能方面：檢測(cè)單元通過(guò)RS485 總線型方式與監(jiān)控分站進(jìn)行通信，然后由監(jiān)控分站主通信端口接入礦井的工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)平臺(tái)，最后上傳至主監(jiān)控計(jì)算機(jī)，全程采用數(shù)字信號(hào)傳輸，符合數(shù)字礦山的建設(shè)要求。

2）供電性能方面：采用隔爆兼本安型監(jiān)控分站，由監(jiān)控分站自身的本安電源輸出為各個(gè)檢測(cè)單元供電，利用4 芯礦用電纜連接，省掉單獨(dú)電源供電的煩瑣，其他設(shè)備由非本安的交流電源供電。

3）檢測(cè)單元模擬量參數(shù)：利用風(fēng)量（風(fēng)速）傳感器、溫濕度傳感器、軸溫傳感器、壓力傳感器、振動(dòng)傳感器、速度傳感器等檢測(cè)主扇風(fēng)機(jī)運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)。

檢測(cè)傳感器部分采用數(shù)字式智慧傳感器，傳感器接通監(jiān)控分站后，系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別出傳感器的類型、測(cè)量范圍、報(bào)警閾值、斷電值、傳感器地址等參數(shù)，并與之相匹配。

4）利用VC++平臺(tái)編輯的上位機(jī)軟件，實(shí)時(shí)顯示每臺(tái)風(fēng)機(jī)的開(kāi)/停運(yùn)行狀態(tài)，風(fēng)機(jī)工作電流、溫度、風(fēng)量、轉(zhuǎn)速等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，形成歷史大數(shù)據(jù)，再根據(jù)安全規(guī)程的要求和使用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)某些測(cè)量節(jié)點(diǎn)進(jìn)行安全閾值的設(shè)定。

3 系統(tǒng)硬件組成

3.1 多單元采樣技術(shù)

參照《煤礦安全規(guī)程》和《AQ 1029—2019 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測(cè)儀器使用管理規(guī)范》的要求，礦井的主通風(fēng)機(jī)就有了如下的模擬量需要檢測(cè)。

1）在總回風(fēng)巷道的測(cè)風(fēng)站設(shè)置風(fēng)壓差原理的風(fēng)速風(fēng)向傳感器，既可以檢測(cè)總回風(fēng)巷道的風(fēng)速（可換算成風(fēng)量Q，計(jì)算見(jiàn)式（1），還可以監(jiān)測(cè)出風(fēng)的流動(dòng)方向。如果條件允許，可以采用5 點(diǎn)采樣平均法的方式檢測(cè)風(fēng)速。由于通風(fēng)巷道內(nèi)同一橫斷面上不同點(diǎn)的風(fēng)速和風(fēng)溫有很大的差異，所以對(duì)巷道測(cè)風(fēng)站橫斷面5個(gè)點(diǎn)(東北、西北、西南、東南、正中)同時(shí)取樣，然后取其算術(shù)平均值作為該點(diǎn)的風(fēng)速值。

式中：Q 為風(fēng)量，m3/s；V 為風(fēng)速，m/s；A 為巷道截面積，m2；T 為時(shí)間，s。

2）主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)硐內(nèi)應(yīng)設(shè)置風(fēng)壓傳感器，其采用的是電容式微差壓變送器，通過(guò)傳感器ARM芯片轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出給監(jiān)控分站。

3）每臺(tái)主通風(fēng)機(jī)的電機(jī)需要安裝振動(dòng)傳感器和速度傳感器，每個(gè)軸承安裝2 個(gè)電渦流傳感器測(cè)量軸振，1 個(gè)速度傳感器測(cè)量瓦振。

4）溫度檢測(cè)單元分為環(huán)境溫度和軸溫兩種，環(huán)境溫度可以采用DS18B20 測(cè)溫元件，軸溫傳感器采用PT100 鉑熱電阻檢測(cè)電機(jī)軸承的摩擦溫度，而且采樣點(diǎn)可以取多處，由溫度巡檢儀作為二次儀表進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換。

5）最后在配置上監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的開(kāi)停傳感器和工作電流傳感器，以此可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到主扇風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)和工作電流是否正常。

3.2 監(jiān)控分站技術(shù)

井下隔爆兼本安型監(jiān)控分站是通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的中樞，它是集成通信傳輸分站、斷電器、本安電源、聲光報(bào)警器于一體的綜合分站，主要承擔(dān)各種監(jiān)測(cè)值采集和匯總通信傳輸處理、實(shí)時(shí)應(yīng)急控制、本安直流電源供電、聲光報(bào)警、液晶顯示等責(zé)任。

監(jiān)控分站的輸入端口采用了32 路RS485 通信接口，可以接入32 路各種模擬量和開(kāi)關(guān)量信號(hào)數(shù)據(jù)，還可以通過(guò)開(kāi)關(guān)量擴(kuò)展器可以將1 路485 信號(hào)擴(kuò)展出8 路0 mA、1 mA、5 mA 電流型（三態(tài)：故障/關(guān)態(tài)/開(kāi)態(tài)）開(kāi)關(guān)量信號(hào)。信號(hào)之間通過(guò)GP785 光電耦合器的隔離，消除了共模電壓影響，抑制了信道上的脈沖干擾信號(hào)，提高信噪比。

監(jiān)控分站的CPU 是ARM單片機(jī)，通過(guò)多路選擇器（8 選1 開(kāi)關(guān)）定時(shí)巡檢8 路信號(hào)，對(duì)匯總的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，進(jìn)而用得到的控制量去自動(dòng)控制斷電器動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)井下機(jī)電設(shè)備的工作控制。分站可以接入4 臺(tái)受8 路信號(hào)控制的斷電器。

監(jiān)控分站的主通信采用了三種數(shù)字信號(hào)傳輸方式，分別是RS485 總線方式、TCP/IP 工業(yè)以太網(wǎng)電口傳輸方式、100 Mbit/s 光纖傳輸方式。前一種方式可以進(jìn)行分站之間的級(jí)聯(lián)，節(jié)省交換機(jī)光纖接口的使用，后面兩種方式是接入礦井工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)的，并且傳輸距離均可達(dá)10 km 以上[5]。

監(jiān)控分站可提供5 路24 V 本安獨(dú)立電源輸出，前4 路本安電源中每路電源可以提供給4 模4 開(kāi)的本安設(shè)備使用，最高供電距離可達(dá)6 km 以上，第5 路電源是外接了4 臺(tái)斷電器，最高供電距離為2 km 以上。在外接交流供電斷開(kāi)的情況下，最大供電時(shí)間可以達(dá)到5 h 以上。

3.3 交換機(jī)

作為通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)量其實(shí)并不大，單獨(dú)成立系統(tǒng)使用的時(shí)候，百兆交換機(jī)足以滿足需要，如果礦井已經(jīng)建立起了千兆，甚至是萬(wàn)兆級(jí)的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的話，監(jiān)控分站的主通信直接接入環(huán)網(wǎng)，也是可以的。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

具體的通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示，直接在Windows 10 環(huán)境下開(kāi)發(fā)運(yùn)行。上位機(jī)軟件是整個(gè)通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的重要部分，主要完成人機(jī)交互、數(shù)據(jù)顯示和匯總處理，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)控制受控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件由主程序模塊、通訊模塊和數(shù)據(jù)處理模塊3 部分組成，主程序模塊完成主界面總體展現(xiàn)、人機(jī)交互、打印查詢模塊調(diào)用以及測(cè)量控制等功能；通訊模塊完成數(shù)據(jù)接收和呼叫應(yīng)答，與其他系統(tǒng)的應(yīng)急聯(lián)動(dòng)，以及下發(fā)由上位機(jī)軟件對(duì)監(jiān)控分站進(jìn)行的控制命令；數(shù)據(jù)處理模塊完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)分析等功能。

圖2 軟件功能框圖

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能穩(wěn)定可靠地監(jiān)測(cè)到主扇通風(fēng)機(jī)各節(jié)點(diǎn)溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)壓差以及風(fēng)機(jī)功率、主軸溫度、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)等參數(shù)，利用預(yù)設(shè)的安全閾值，實(shí)現(xiàn)傳感器、監(jiān)控分站和地面語(yǔ)音報(bào)警器都將同時(shí)發(fā)出報(bào)警，有利于監(jiān)控人員采取相應(yīng)的措施，同時(shí)匯集的所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，形成運(yùn)行狀態(tài)曲線，以備將來(lái)作為測(cè)定主扇性能的參考資料。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)簡(jiǎn)單、功能全面、操作方便、兼容性強(qiáng)，具有很強(qiáng)的可操作性和推廣價(jià)值。