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

秦智明

（寧武縣應(yīng)急管理局，山西 忻州 036700）

引言

煤炭作為推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步的重要能源之一，近年來(lái)的需求量逐年增大，極大地推動(dòng)了煤炭事業(yè)的發(fā)展[1]。眾所周知，煤炭掘進(jìn)基本是處于井下綜采工作面內(nèi)部，工作環(huán)境惡劣、環(huán)境因素復(fù)雜，不僅存在高濕度、高粉塵濃度等，還存在較多的有毒有害氣體，表現(xiàn)極為突出的就是瓦斯，不僅易燃易爆，還威脅井下工作人員的安全及企業(yè)的正常生產(chǎn)，備受各界的廣泛關(guān)注[2-3]。通風(fēng)系統(tǒng)作為井下空氣的交換樞紐，負(fù)責(zé)排除井下有害氣體，輸送新鮮空氣進(jìn)入井下，保證了井下作業(yè)的安全與人員安全。主通風(fēng)機(jī)作為實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)功能的主要設(shè)備，其工作的可靠性至關(guān)重要，尤其是控制系統(tǒng)，必須穩(wěn)定可靠方才保證其正常運(yùn)行。因此，針對(duì)某煤炭企業(yè)主通風(fēng)機(jī)工作能耗高、故障停機(jī)頻繁等問(wèn)題，基于其現(xiàn)有控制系統(tǒng)，開(kāi)展在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究意義重大。

1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于煤礦主通風(fēng)機(jī)原有的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心的監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。由圖1 可以看出，監(jiān)控系統(tǒng)中圍繞工業(yè)控制計(jì)算機(jī)配套了傳感器、變送器、控制器等設(shè)施，將編制完成的控制程序?qū)氡O(jiān)控系統(tǒng)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中，運(yùn)行程序即可完成主通風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)參數(shù)數(shù)據(jù)的采集、分析、處理和存儲(chǔ)等功能。與此同時(shí)，為了方便主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控人員獲取參數(shù)變化情況，監(jiān)控系統(tǒng)以圖表的形式實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)。監(jiān)控系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)主通風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與啟?？刂疲恍枰F(xiàn)場(chǎng)操作人員即可完成主通風(fēng)機(jī)的控制，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到的井下環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)整主通風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)節(jié)省電能消耗的目的。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器選型

監(jiān)控系統(tǒng)中溫度傳感器主要用于采集主通風(fēng)機(jī)軸承和電機(jī)定子繞組的溫度，結(jié)合主通風(fēng)機(jī)實(shí)際工作情況選擇了型號(hào)為Pt100 鉑熱電阻傳感器；風(fēng)壓傳感器的作用是對(duì)主通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流經(jīng)的風(fēng)壓大小，及局變環(huán)節(jié)壓差進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確定的傳感器型號(hào)為SMP2088；振動(dòng)傳感器選擇型號(hào)為YY950 型振動(dòng)傳感器，用于監(jiān)測(cè)主通風(fēng)機(jī)垂直方向中各自的振動(dòng)數(shù)值，之后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，傳輸至控制器。

2.2 PLC 選型

控制器選擇的是PLC，即可編程邏輯控制器，其不僅具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)分析處理能力，而且環(huán)境適應(yīng)性較好，根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能要求，選擇了西門子生產(chǎn)的S7-300 系列PLC，具有數(shù)據(jù)處理能力大、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，配置了型號(hào)為6ES7331-7KF01-0AB0 型模擬量輸入模塊和4個(gè)型號(hào)為6ES7332-5HD01-0AB0 模擬量輸出模塊。其他配套模塊情況如下：開(kāi)關(guān)量輸入模塊型號(hào)為6ES7321-1BL00-0AA0、開(kāi)關(guān)量輸出模塊型號(hào) 為 6ES7322-1BH01-0AB0、配置了型號(hào)為PS-307-1KA01-0AA01 的電源模塊和型號(hào)為CPU 315-2 DP 的CPU 模塊。

2.3 上位機(jī)系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)核心部件為工業(yè)計(jì)算機(jī)，要求具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理、顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，工控機(jī)作為近年來(lái)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用極廣的設(shè)備，具有抗干擾能力強(qiáng)、配置靈活等優(yōu)勢(shì)，滿足監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，此處選擇研華工業(yè)計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)。與此同時(shí)，上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示選擇24 英寸LED 顯示器，配置惠普打印機(jī)及漫步者音響，為了保證監(jiān)控系統(tǒng)掉電之后具備正常工作的功能，特意配置UPS 備用電源1 臺(tái)。

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型的結(jié)果，確定了監(jiān)控系統(tǒng)核心控制器件為西門子的S7-300 系列PLC，上位機(jī)選擇的研華工控機(jī)，要想完成主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，確保主通風(fēng)機(jī)工作在合適的參數(shù)范圍之內(nèi)，要求系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)完成采集數(shù)據(jù)的分析處理。監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析處理功能主要由PLC 完成，其程序編制至關(guān)重要，此處選擇STEP 7 編程軟件，上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示界面的程序編制需要較為專業(yè)的軟件，此處選擇的是DIP8011 軟件。

3.1 PLC 控制程序

根據(jù)主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能要求，采用STEP 7 編程軟件開(kāi)展PLC 控制程序流程設(shè)計(jì)，如圖2 所示。由圖2 可以看出，監(jiān)控系統(tǒng)主程序運(yùn)行之后首先進(jìn)行上電清零，消除先前斷電等造成的故障信息；根據(jù)監(jiān)控人員的要求確定是否進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)，之后調(diào)用控制系統(tǒng)子程序，包括上位機(jī)顯示、風(fēng)機(jī)啟動(dòng)和數(shù)據(jù)采集等；之后調(diào)用模擬量數(shù)據(jù)采集子程序，轉(zhuǎn)化成電信號(hào)之后傳輸至控制器中進(jìn)行分析處理，確定主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)是否出現(xiàn)超限情況，如果存在超限問(wèn)題發(fā)出報(bào)警信息，若未出現(xiàn)參數(shù)超限情況，則將響應(yīng)的數(shù)據(jù)信息顯示在上位機(jī)中。若最初為啟動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，則PLC 等核心控制模塊均不啟動(dòng)，結(jié)束主程序。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)主程序

3.2 通信配置

運(yùn)用SIMATIC NET 軟件開(kāi)展主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)與PLC 之間的通信設(shè)置，首先配置工控機(jī)的硬件架構(gòu)，打開(kāi)軟件選擇Station Configuration Editor配置窗口，配置OPC Server，添加S7-300 系列PLC 并分配PROFIBUS 參數(shù)，地址設(shè)置為2，波特率設(shè)置為1.5 Mbit/s。在Station Configuration Editor 配置窗口進(jìn)入Access Point 界面，將S7ONLINE 指向PC internal（Local），即完成二者之間的通信配置工作。

3.3 上位機(jī)

上位機(jī)作為煤礦主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，其承擔(dān)著實(shí)時(shí)顯示主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的任務(wù)，供主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控人員實(shí)時(shí)掌握主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況，同時(shí)，監(jiān)控人員也可以通過(guò)上位機(jī)遠(yuǎn)程控制主通風(fēng)機(jī)的啟停和參數(shù)設(shè)置等。根據(jù)主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能及要求，完成了上位機(jī)主界面的設(shè)計(jì)。主界面工作時(shí)能夠直觀地觀察到主通風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)、振動(dòng)參數(shù)、電機(jī)溫度參數(shù)等的實(shí)時(shí)數(shù)值，具有報(bào)警提示功能，便于監(jiān)控人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障及故障位置。同時(shí)，主界面中也能夠顯示主通風(fēng)機(jī)的控制狀態(tài)，包括主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、變頻情況、控制模式、風(fēng)門狀態(tài)等，通過(guò)指示燈顏色變化表示狀態(tài)是否正常。

4 應(yīng)用效果分析

為了驗(yàn)證主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和效果，將其應(yīng)用于某煤炭企業(yè)進(jìn)行試運(yùn)行，跟蹤記錄監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況。結(jié)果表明，主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了主通風(fēng)機(jī)的變頻控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。相較于主通風(fēng)機(jī)原有控制系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)的引入，節(jié)省了企業(yè)單臺(tái)主通風(fēng)機(jī)季度耗電量約12%，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了主通風(fēng)機(jī)的無(wú)人值守，節(jié)約了2～3名設(shè)備操作人員，同時(shí)，故障報(bào)警系統(tǒng)的存在，降低了主通風(fēng)機(jī)近8%的故障排除時(shí)間，保證了主通風(fēng)機(jī)的工作可靠性，取得了很好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)語(yǔ)

主通風(fēng)機(jī)作為煤炭綜采工作面正常生產(chǎn)運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備之一，其工作的可靠性要求較高。針對(duì)某煤炭企業(yè)主通風(fēng)機(jī)工作能耗高、故障停機(jī)頻繁等問(wèn)題，基于其現(xiàn)有控制系統(tǒng)，開(kāi)展了主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了主通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控、運(yùn)行節(jié)能可靠的目的。監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，單臺(tái)主通風(fēng)機(jī)季度耗電量約12%，實(shí)現(xiàn)了主通風(fēng)機(jī)的無(wú)人值守，節(jié)約了2～3 名設(shè)備操作人員，故障報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用，降低了主通風(fēng)機(jī)近8%的故障排除時(shí)間，保證了主通風(fēng)機(jī)的工作可靠性。