礦井通風機監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化設計

方 瑋

（河南理工大學，河南 焦作 454100）

1 礦井通風機遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計

1.1 礦井通風機自動監(jiān)控系統(tǒng)的功能

煤礦主扇風機是煤礦行業(yè)中非常重要的設施設備，在日常的作業(yè)生產中扮演者關鍵的安全防護角色，所以一定要確保主扇風機自動監(jiān)管體系的可靠性與安全性。

此次設計的主控制單元包含了風機變電站實時監(jiān)管系統(tǒng)和特征變量在線監(jiān)測系統(tǒng)。風機變電站實時監(jiān)管系統(tǒng)主要涵蓋了十一臺專用的高壓型式的設備箱，設計安裝有南瑞綜保裝置的箱子有9臺，因此這就有效的保證相關的數(shù)據(jù)資料可以安全的傳輸?shù)綄目刂茊卧希粊碜燥L機檢測采集到的震動數(shù)據(jù)、流量以及外部負載通過各種類型的傳感器實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時將傳感器的采集到的數(shù)據(jù)信息反饋至控制單元；一般情況下通過點溫計實時監(jiān)測和測量軸承以及電機定子的溫度變化并完成數(shù)據(jù)采集工作，之后將所測得的數(shù)據(jù)傳送到相關的控制單元上。風機系統(tǒng)工作時采集到的特征數(shù)據(jù)需反饋至集中控制中心，方便后續(xù)的實時調整與完善。

此次設計的系統(tǒng)，其功能涵蓋以下幾點：

（1）相關風機的特征量可以得到事實的測量獲得，并且可以保證主單元和輔助單元在同一個時間點對數(shù)據(jù)進行實時的測量。

（2）可以對電機的電流、電壓以及功率等數(shù)據(jù)參數(shù)進行實時有效的檢測。

（3）可以對電機的震動數(shù)據(jù)以及風機的軸承溫度等重要數(shù)據(jù)進行準確有效的檢測控制。

（4）可以對哪一臺風機運作及正反轉變量等信息進行實時的把控和掌握。

（5）可以對風機的外在負壓和瞬態(tài)流量等氣動數(shù)據(jù)進行實時有效的檢測把控。

（6）既可以保證定子電流的過載報警控制，也可以保證其電壓小于5.1 kV電壓時的聲光報警。

（7）礦區(qū)可以利用網絡傳輸將所有監(jiān)測到的實時數(shù)據(jù)進行上傳，并在局域網里進行共享操作。

1.2 風機監(jiān)控系統(tǒng)的技術參數(shù)

額定電壓為220 V工作溫度小于50℃監(jiān)測準確性指標：2.5級流量、0.5級壓力、0.25級電參數(shù)、1.5級其他

根據(jù)甲方自行設定監(jiān)控的參數(shù)

1.3 風機監(jiān)控系統(tǒng)的組織結構

風機的監(jiān)控系統(tǒng)的設置為中心監(jiān)控和分層控制的組織結構，而監(jiān)管體系又可以分為監(jiān)管控制、長距離控制以及中央監(jiān)管三層。

（1）監(jiān)管測量體系。監(jiān)管測量主要包括通過綜保系統(tǒng)對風機特征量的實時監(jiān)測和采集，并利用相關的數(shù)據(jù)傳感器進行收集分析。

（2）中央控制體系。中央控制單元主要是基于PLC系統(tǒng)進行設計的，利用西門子S7-200達到對風機系統(tǒng)進行實時監(jiān)測數(shù)據(jù)變換的目的，并且這套系統(tǒng)可以將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行采集和傳輸處理，并利用先進的網絡技術與控制單元進行實時的通訊操作。

（3）長距離監(jiān)控單元。長距離監(jiān)控單元可以與調度中心建立安全可靠的聯(lián)系，此次長距離監(jiān)控單元中，監(jiān)控軟件采用Wonderware公司Intouch開發(fā)的監(jiān)控程序，借助監(jiān)控程序實現(xiàn)功能模塊間的數(shù)據(jù)傳輸與通信聯(lián)系，以此為基礎確保風機系統(tǒng)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)監(jiān)管。在風機系統(tǒng)工作的時候，采集記錄不同時間段風機的工作狀態(tài)，實時監(jiān)管風機的可靠性，還能夠通過聲光報警預防各種安全隱患，還可以根據(jù)實時采集的數(shù)據(jù)生成各種曲線以及報表。

1.4 風機監(jiān)控系統(tǒng)的運作方式

此監(jiān)控系統(tǒng)包括三種不同的工作模式，分別稱為“就地”“遠控”“自動“；通過電容屏，用戶可以根據(jù)具體的使用需求加以選擇不同的工作模式。下面就不同的工作模式分別詳細說明。

（1）就地：就地指的是在現(xiàn)場的電容屏上手動選擇，由于此次系統(tǒng)中，采用了西門子的PLC來建立與觸摸屏的直接通訊，接口兼容性較好，同時系統(tǒng)運行狀態(tài)比較平穩(wěn)，因此這種工作模式是可靠性最高的。

（2）遠控：遠控可以從字面上加以理解。指的就是在集中控制中心通過高低壓開關的切換，借助遙合、遙分的模式控制系統(tǒng)的運行，這種模式下，通常有個缺點就是會被所在的通訊狀況及軟件是否具有比較好的穩(wěn)定性等因素制約，所以這種遠控模式的響應時間會受到周圍環(huán)境因素的制約和干擾上，鑒于此次系統(tǒng)中軟件穩(wěn)定性較好，且信息傳輸?shù)慕橘|為高速光纜，因此還是可以確保風機常態(tài)化的使用與工作，同時鑒于遠程控制的特點，此次系統(tǒng)的便捷性也能夠體現(xiàn)出來。

（3）自動監(jiān)管：自動監(jiān)管屬于遠程控制的模式之一，不需要人為介入，如果風機在使用過程中出現(xiàn)了異常，會自動啟動另一臺冗余設計的風機，同時根據(jù)環(huán)境因素和實際需要自行調整風量，不會由于單臺風機失常而制約干擾正常生產。

此次設計的監(jiān)管系統(tǒng)，位于集控室內，在風機控制前端上有個自動/半自動切換模式按鈕，人工在電容屏上選擇了遠控模式時，此模式按鈕才會生效，當模式達到自動開關時，風機就會根據(jù)電腦指示進入自動工作模式，這個時候控制中心以及現(xiàn)場的操作觸屏開關都會失效不起作用，風機的特征量等數(shù)據(jù)只能通過遠程操作來實現(xiàn)；當選擇半自動模式開關時，風機隨即進入半自動工作狀態(tài)，此時，控制中心的利用數(shù)據(jù)終端達到遠程控制的目的；當切換成就地模式時只能通過現(xiàn)場操作進行人工操作了。

2 礦井通風機自動監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)的組成和特點

本次的監(jiān)控系統(tǒng)主要以工業(yè)PLC控制為關鍵的技術核心進行設計的，它主要包括了傳感器，信號采集設備，通訊設備及上位機等。

涵蓋的技術優(yōu)勢包括下列幾點：

（1）利用先進的計算機網絡技術實現(xiàn)多功能化和智能化，操作系統(tǒng)界面的簡單直接，通俗易懂，可以實時的反映風機的運作情況。

（2）模塊化設計理念，相對獨立卻又彼此聯(lián)系，冗余設計安全可靠，功能擴展可延伸。

（3）可靠性高，抗干擾能力強，數(shù)據(jù)采集精準

（4）流量監(jiān)測模式獨特，監(jiān)測的實時性突出顯著，采集數(shù)據(jù)的精度高。

（5）傳感器布設合理，可靠性高，采集數(shù)據(jù)精度高。

（6）軟件設計安全高效。

（7）界面友好，操作便捷，維護方便。

2.2 風機參數(shù)的監(jiān)測

此次設計的監(jiān)控系統(tǒng)核心是工業(yè)控制PLC，再輔以外圍設備，借助先進的多功能程序控制，實現(xiàn)特征量數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理等，在終端設備上生成各種圖表與曲線。

2.3 風機特征量的監(jiān)測

風機的特征量包括很多參數(shù)，例如軸功率、瞬態(tài)效率及實時轉速等。同樣與之配套的電機的特征量也包括很多參數(shù)，例如電流、電壓及功率等。相關的計算方法包括：

式中：Q—流量；A—流量測量截面積；V—流量測量截面積的平均流速；Ρ—風機全壓；P2—風機出口靜壓；Pd2—風機出口動壓；PI—風機入口靜壓；PdI—風機入口動壓；Pj—風機靜壓；N—風機軸功率；Nd—電機有功功率；ηd—電機效率、由損耗分析法求得。ηc—傳動效率；η—風機全壓效率；ηJ—風機靜壓效率。

2.3 風機監(jiān)控系統(tǒng)所需監(jiān)控的輸入輸出量

在這套風機監(jiān)控系統(tǒng)中，必須要注意的是實時監(jiān)測風機前后軸承的溫度，電機的振動數(shù)據(jù)以及定子的溫度變化等重要數(shù)據(jù)。對重要數(shù)據(jù)進行實時的精準監(jiān)測進而實時把控風機的工作狀態(tài)，這樣做的目的不僅可以實現(xiàn)風機的高效率運行，同時對異常噪聲和報警進行準確有效的判斷和評估。下面是風機監(jiān)控系統(tǒng)的輸入輸出參數(shù)。

在上述參數(shù)變量表中，開關柜的電氣參數(shù)是借助單個CP340以及南瑞綜保進行串行通訊獲取的每一個高壓柜的電流、電壓、功率數(shù)據(jù)以及高壓柜的斷路器狀態(tài)等實時信息。

3 結論

在使用可靠性比較高的工業(yè)PLC和計算機網絡技術共同開發(fā)的風機監(jiān)控系統(tǒng)，利用控制中心和計算機實現(xiàn)實時聯(lián)網和數(shù)據(jù)傳輸工作，并實現(xiàn)了實時的遠程監(jiān)控和控制的功能，有效的解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)設計簡單，參數(shù)監(jiān)測不準確，監(jiān)測內容不全面等方面的缺點，根據(jù)現(xiàn)場情況的勘測和實際要求，文章設計的這套風機自動監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)準確，監(jiān)測精度高。監(jiān)測內容全面，可以與控制中心實現(xiàn)互通互聯(lián)，對現(xiàn)在的礦井生產效率起到了大大的促進作用。