礦井通風機監控系統的優化設計

方 瑋

（河南理工大學，河南 焦作 454100）

1 礦井通風機遠程監控系統設計

1.1 礦井通風機自動監控系統的功能

煤礦主扇風機是煤礦行業中非常重要的設施設備，在日常的作業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管系統和特征變量在線監測系統。風機變電站實時監管系統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據資料可以安全的傳輸到對應的控制單元上；來自風機檢測采集到的震動數據、流量以及外部負載通過各種類型的傳感器實時監測數據，同時將傳感器的采集到的數據信息反饋至控制單元；一般情況下通過點溫計實時監測和測量軸承以及電機定子的溫度變化并完成數據采集工作，之后將所測得的數據傳送到相關的控制單元上。風機系統工作時采集到的特征數據需反饋至集中控制中心，方便后續的實時調整與完善。

此次設計的系統，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據進行實時的測量。

（2）可以對電機的電流、電壓以及功率等數據參數進行實時有效的檢測。

（3）可以對電機的震動數據以及風機的軸承溫度等重要數據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流量等氣動數據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）礦區可以利用網絡傳輸將所有監測到的實時數據進行上傳，并在局域網里進行共享操作。

1.2 風機監控系統的技術參數

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

根據甲方自行設定監控的參數

1.3 風機監控系統的組織結構

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

（1）監管測量體系。監管測量主要包括通過綜保系統對風機特征量的實時監測和采集，并利用相關的數據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系統進行設計的，利用西門子S7-200達到對風機系統進行實時監測數據變換的目的，并且這套系統可以將監測到的數據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）長距離監控單元。長距離監控單元可以與調度中心建立安全可靠的聯系，此次長距離監控單元中，監控軟件采用Wonderware公司Intouch開發的監控程序，借助監控程序實現功能模塊間的數據傳輸與通信聯系，以此為基礎確保風機系統的統一數據監管。在風機系統工作的時候，采集記錄不同時間段風機的工作狀態，實時監管風機的可靠性，還能夠通過聲光報警預防各種安全隱患，還可以根據實時采集的數據生成各種曲線以及報表。

1.4 風機監控系統的運作方式

此監控系統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：就地指的是在現場的電容屏上手動選擇，由于此次系統中，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，同時系統運行狀態比較平穩，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境因素的制約和干擾上，鑒于此次系統中軟件穩定性較好，且信息傳輸的介質為高速光纜，因此還是可以確保風機常態化的使用與工作，同時鑒于遠程控制的特點，此次系統的便捷性也能夠體現出來。

（3）自動監管：自動監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了異常，會自動啟動另一臺冗余設計的風機，同時根據環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。

此次設計的監管系統，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，風機就會根據電腦指示進入自動工作模式，這個時候控制中心以及現場的操作觸屏開關都會失效不起作用，風機的特征量等數據只能通過遠程操作來實現；當選擇半自動模式開關時，風機隨即進入半自動工作狀態，此時，控制中心的利用數據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場操作進行人工操作了。

2 礦井通風機自動監控系統硬件設計

2.1 系統的組成和特點

本次的監控系統主要以工業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。

涵蓋的技術優勢包括下列幾點：

（1）利用先進的計算機網絡技術實現多功能化和智能化，操作系統界面的簡單直接，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，數據采集精準

（4）流量監測模式獨特，監測的實時性突出顯著，采集數據的精度高。

（5）傳感器布設合理，可靠性高，采集數據精度高。

（6）軟件設計安全高效。

（7）界面友好，操作便捷，維護方便。

2.2 風機參數的監測

此次設計的監控系統核心是工業控制PLC，再輔以外圍設備，借助先進的多功能程序控制，實現特征量數據的采集、傳輸、處理等，在終端設備上生成各種圖表與曲線。

2.3 風機特征量的監測

風機的特征量包括很多參數，例如軸功率、瞬態效率及實時轉速等。同樣與之配套的電機的特征量也包括很多參數，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 風機監控系統所需監控的輸入輸出量

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

在上述參數變量表中，開關柜的電氣參數是借助單個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、功率數據以及高壓柜的斷路器狀態等實時信息。

3 結論

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