礦井主通風機性能在線監測與監控系統的設計

1.引言

礦井通風機是向井下輸送新鮮空氣，排除礦井有害氣體，維持正常的生產條件，保障安全作業和人員身體健康的固定設備，其運行狀況的好壞，直接關系到人身安全和生產能否正常運行，在保證礦井正常安全生產方面起著重要的作用。隨著現代科學技術的發展，企業對生產系統自動化控制程度的要求不斷提高，控制過程要求更加安全可靠，功能更加齊全，需要對生產過程信息集中監測、實時存取、自動分析，以便于實施最佳運行方案。在現代計算機技術、微電子技術的強大支持下，企業不斷提高自動化水平，提高工業生產效率也是企業發展的必需。所以，利用計算機實現對通風機的智能化管理將為設備運行帶來眾多的優點，為企業發展產生重要的意義。

2.監控系統的設計

監控系統由PLC監控柜、現場監控主機（含監測軟件）、現場傳感器及通訊網絡及功能接口等組成，系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

2.1 PLC監控柜

控制核心PLC采用西門子S7-300系列可編程控制器，主要包括CPU模塊、電源模塊、模擬量輸入輸出模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、以太網通訊模塊等，實現的主要功能如下：

2.1.1 設備控制方式包括：自動-手動-檢修三種控制模式。

①自動控制方式：全過程PLC參與控制，由PLC按照預置程序控制，遵循必須的閉鎖關系，防止各種誤操作的發生。此方式受操作員在操作站控制，實現風機和附屬設備的“一鍵式” 自動啟、停風機、“一鍵式”自動倒機等功能，可代替人工分步倒機操作，大大縮短風機倒計時間。

②手動控制方式：全過程PLC參與控制，遵循必須的閉鎖關系，防止各種誤操作的發生。此方式操作員在現場或遠程操作站按順序起、停每個相關設備。

③檢修控制方式：操作員通過就地控制柜或控制箱實現設備操作，選擇就地控制柜或控制箱的“遠方-就地”為就地方式，操作站處于不可操作狀態，此方式用于風機設備檢修或調試時的控制操作。

2.1.2 控制系統與變頻器配合，手動或自動控制變頻器的輸出頻率，可實現風量的調節功能。

2.1.3 采集的模擬量參數包括：：風機的全壓、靜壓、動壓、風量、風速、效率、瓦斯濃度、一二級電機軸承溫度、兩級電機繞組溫度（三相）、風機振動信號（X、Y方向）、兩級電機運行電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、累計電量等。設備狀態信號包括：風機運行狀態（正反風），變頻器運行狀態、風門位置狀態等。

2.1.4 系統對溫度超限、風機振動超限、變頻故重障等重要運行參數和狀態進行快速分析處理，發現異常情況首先及時發出聲光報警提示，并根據工藝要求實現聯鎖保護停機。

2.1.5 PLC系統配置以太網通訊模塊，與2臺監控計算機（上位機）采用TCP/IP協議進行通訊。

2.2 監控主機

監控主機采用工業級計算機上，滿足在惡劣的環境中長期穩定可靠的不間斷運行。監控主機設置兩臺雙機冗余設計，每臺上位機可同時監控兩臺風機，正常時一用一備，監控主機配有監控臺和打印機， 監控臺安裝在風機房值班室內。

2.2.1 數據監控主機基本配置：

研華IPC-610;CPU主頻：酷睿雙核2.4G;內存：2G;硬盤容量：320G;顯示器：22″液晶顯示器;光驅：DVD。

2.2.2 系統監測監控軟件采用工業控制組態軟件設計開發，人機界面友好，操作簡單，實時顯示運行工況參數，動態顯示工藝流程圖形和設備運行狀態;

2.2.3 實時報警和歷史報警信息查詢功能：當系統出現報警時，自動記錄報警所發生時刻和確認、消失的具體時間，通過歷史報警窗口可進行查閱。

2.2.4 對所有模擬量監測參數形成實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線功能，系統對監測參數定時保存到歷史數據庫，存儲保存時間為一年，可通過歷史趨勢功能隨時提取和查閱歷史數據庫任一時刻記錄點的數據和運行變化趨勢。

2.2.5 系統記錄各參數整點運行數據自動生成生產報表，代替人工抄錄，為用戶提供真實有效的運行數據。

2.2.6 數據轉存功能：用戶可利用“U”盤通過計算機USB口將數據報表轉存拷貝，并可選擇存儲路徑、報表時間范圍、數據記錄間隔等功能，數據文件為excel格式文件，非常方便用戶分析整理。

2.2.7 根據風壓、風量等參數，自動繪制實時風阻運行曲線和相應運行角度和轉速的風機性能曲線，顯示風機運行工況點。

2.2.8 打印功能：可將報警信息記錄和報表自動或手動打印輸出。

2.2.9 系統通過礦方提供的以太網可實現遠程監測監控功能，設備控制設有安全操作權限，具有登陸權限者方可進行操作;

2.2.10 系統提供可靠的標準數據共享網絡接口包括OPC、TCP/IP、WebService等多種通訊方式，實現與礦調度中心或機電設備管理網等上一級網絡監控系統聯網，傳送全部監測數據，提高監控效率，適應全礦乃至全局的信息化管理的要求。

2.2.11 具有在線信息系統功能：可以在線察看系統操作維護使用說明書，也可以錄入各種管理信息，如：安全操作規程、管理制度、設備檔案資料等。

3.現場傳感器

現場傳感器包括溫度傳感器、負壓傳感器、振動傳感器、瓦斯濃度傳感器、綜合電參數采集模塊等，來完成設備基本信號的采集，通過通訊接口或信號變送調理轉換成標準信號送至PLC進行進一步處理，以下是各傳感器的數量、參數以及測量方法等。

3.1 溫度信號的測量

傳感器采用分度號PT100鉑電阻溫度傳感器（如圖2），鉑電阻溫度傳感器具有精度高，穩定性好，應用溫度范圍廣（-200℃～400℃）的特點，溫度傳感器接線采用三線制連接，因為測量鉑電阻的電路為不平衡電橋，鉑電阻作為電橋的一個橋臂電阻，將導線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到鉑電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，當橋路平衡時，導線電阻的變化對測量結果沒有任何影響，這樣就消除了導線線路電阻帶來的測量誤差，提高測量精度。

圖2 溫度傳感器

3.2 風壓、風量的測量

負壓傳感器用來測量巷道靜壓和測量計算風量使用（風量測量計算原理見3.2.2節），巷道靜壓測點壓力源取自“U”計處，風機入口靜壓測點需要在風機入口機體上加工布置一個環形測壓裝置，取4個點的平均靜壓，結構示意圖如圖3、圖4所示。

表1 每臺風機的溫度測點

測點名稱 數量 安裝和接線 說明

一級電機繞組溫度 3 電機已預埋溫度傳感器 三相繞組溫度

一級電機軸伸端軸承溫度 1

一級電機軸非伸端軸承溫度 1

二級電機繞組溫度 3 三相繞組溫度

二級電機軸伸端軸承溫度 1

二級電機軸非伸端軸承溫度 1

圖3 環形測壓示意圖 ? ? ? 圖4 負壓變送器

3.2.1 負壓變送器主要技術參數

測量范圍：0～-10Kpa;輸出：4-20mADC二線制;基本誤差：0.5%;工作溫度：-20℃-+85℃;長期穩定性：<0.2%F.S/℃;過載極限：最大額定壓力的1.5倍。

3.2.2 風量的測量方法

根據空氣流動的動力學理論，利用兩端面靜壓變化測定法計算風量，這種方法具有測定方法簡單、測定數據穩定、準確的特點，并且適合進行長期在線風量監測。分別在巷道和風機入口處之間取S1、S2兩處不同斷面的靜壓測點，由2只負壓傳感器采集送入PLC通道，按照計算公式計算風量，并且進一步計算風機入口的風速、風機裝置綜合效率等相關參數，如圖5。

圖5 風量測量示意圖

3.3 風機振動的測量

振動傳感器用于測量風機的振幅或振速信號，是監測風機異常故障的重要手段之一，振動傳感器一般安裝在風機內軸承座體上（或風機機體上），每臺風機分別裝有垂直、水平方向分布的振動傳感器， 如圖6、圖7所示。振動傳感器有專用配套變送器，將振動信號轉換為4-20mA標準信號送入PLC模擬量采集通道。

圖6 振動傳感器 ? ? ? ? ? ? 圖7 振動變送器

圖8 EDA9033D電參數模塊 ? ? ? ? ? ?圖9 接線原理

圖10 礦用甲烷和一氧化碳傳感器 ? ? ? ?圖11 ?礦用隔爆兼本安電源

表2 主要監測參數一覽表（每臺風機）

序號 參數名稱 量程 單位 測點

數量 參數報警 說明

上限 下限

1 風機靜壓 0～-10 KPa 1 - - 傳感器測量

2 風機全壓 0～-10 KPa 1 - - 計算

3 風機風量 m3/s 1 - - 取兩段不同斷面靜壓差計算

4 風機風速 m/s 1 - - 由風量和此點斷面面積計算

5 風機裝置效率 % 1 - - 由風壓、風量、電機輸入功率等參數量計算

6 瓦斯濃度 0～4 % 1 ★ 傳感器測量

7 一級電機繞組溫度 -20～200 ℃ 3 ★ - A、B、C三相繞組，

8 一級電機前軸承溫度 -20～200 ℃ 1 ★ -

9 一級電機后軸承溫度 -20～200 ℃ 1 ★

10 二級電機繞組溫度 -20～200 ℃ 3 ★ - A、B、C三相繞組，

11 二級電機前軸承溫度 -20～200 ℃ 1 ★ -

12 二級電機后軸承溫度 -20～200 ℃ 1 ★ -

13 風機振動信號 0～500 μm 2 ★ - X軸向Y軸向

14 電機定子電壓 0～500 V 2 ★ ★ 包括一、二級電機

15 電機定子電流 A 2 ★ -

16 有功功率 KW 2 - -

17 無功功率 KVar 2 - -

18 功率因數 2 - -

19 累計電量 KWh 2 - -

20 運行頻率 HZ 2 - -

21 變頻器運行信號 無源接點信號

22 風機運行信號 無源接點信號，取自分機啟動柜

23 風門位置信號 無源接點信號，取自風門電動執行機構

振動傳感器主要技術參數：振動傳感器型號：CD-21C（S）;測量范圍：0～500μm;靈敏度：200mv/cm/s;橫向靈敏度比：<10%;工作環境：溫度：-29℃～80℃，相對濕度：95%不冷凝;輸出電阻：≤500Ω;最大承受沖擊：500m/s2。

3.4 風機運行電參數的采集

風機運行的電參數采集采用綜合電參數模塊實現，綜合電參數模塊是一款性能優異，功能齊全的智能型電參數測量與采集模塊，適用于工頻三相三線制或三相四線制電路中的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數等信號的測量，采用RS485總線通訊方式，標準MODBUS-RTU通訊規約。

綜合電參數模塊分別安裝在一、二級風機啟動柜和進線柜內，接入三相電壓（二次電壓）、A、C相電流，通過協議轉換模塊與PLC建立通訊連接，傳送各種參數，使系統集供電監測功能于一體。如圖8、圖9所示。

綜合電參數模塊主要技術參數：輸入信號：三相交流電壓、電流，輸入頻率：45～75Hz;電壓量程：500V，電流量程：5A;通訊輸出：RS-485，標準MODBUS-RTU通訊規約;測量精度：電流、電壓：0.2級;其它電量：0.5級;供電電源：DC+10～30V;功耗：<0.5W;工作環境：工作溫度：-20℃～+70℃，相對濕度：5%～95%不結露。

3.5 瓦斯濃度傳感器

瓦斯濃度傳感器選用礦用本安兼隔爆型產品，配有專用礦用本安電源，傳感器本身具有LED數字顯示功能，聲光報警功能和采用遙控器調校的功能，傳感器輸出為頻率信號，經信號調理變換為4-20mA標準信號送入PLC模擬量數據采集通道。如圖10、圖11所示。

4.主要監測參數一覽表（見表2）

5.監控系統功能

a.系統可快速、準確的實時監測風機設備的運行工況參數，包括溫度、壓力、流量、振動、電壓、電流、功率、電量等重要參數，對運行監測參數進行快速分析處理，發現異常情況及時報警提示，按相關預案使隱患得到及時有效處理，防止造成重大安全事故。

b.由可編程控制器判斷相關的聯鎖條件實現設備的聯鎖控制，在監控計算機上操作控制時，具有相關的操作提示和操作權限，防止發生誤操作。

c.應用組態軟件編譯，人機界面友好，并以數字顯示、模擬儀表、趨勢曲線、報表等多種形式顯示設備運行數據，并自動存入數據庫長期保存，可以隨時查閱，保證了數據的真實性、有效性，降低了人為因素造成的影響，有利于幫助制定完善的經濟運行方案，及時發現故障隱患，防患于未然。

d.動態圖形顯示設備運行狀態，具有觀看方便、直觀明了的特點，例如：旋轉風葉、風流方向、開關分合狀態、風門所處位置等。

e.系統采用工業級的計算機和模塊化智能數據采集裝置，滿足在惡劣的環境中長期穩定可靠的不間斷運行，并且一套系統可同時監控2臺風機和其它附屬設備。

f.監測系統可以通過數據傳輸網絡（光纖網絡）將現場與礦局域網連接起來，實現遠方對設備進行控制、數據瀏覽等，提高了監控效率，適應全礦乃至全局的信息化管理的要求。

參考文獻

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作者簡介：李志勇（1978—），男，黑龍江哈爾濱人，學士，主要從事選煤廠工業控制系統設計、工程實施方面工作。