煤礦通風機在線監測監控系統的設計

劉玉婷

（大同煤礦集團王村煤業公司， 山西 大同 037032）

引言

為了對礦井所運用的通風設備進行有效的維護及管理，應建立完善的通風機監測系統。我國學者已經針對此進行了較多的研究[1-2]。劉貴升等設計了在線監測系統，并對礦井通風機的監測及出現的故障進行診斷，促使通風機的運行具備較高的安全性；薛鵬針對煤礦通風機局部系統存在的故障進行分析，基于該故障的特征來創建有效的故障樹模型，并提出了相應的維修策略。本文依據通風機的結構特征、故障類型等也對在線監測系統的設計進行研究。

1 礦井通風機的結構特點

通風機在礦井中占據著十分重要的地位，并且是通風系統的關鍵構成，通風機所產生的能耗在礦井總能耗中占據了16%，選擇正確的通風機可以極大地保障作業人員及生產的安全。通風機的類型主要有兩種， 分別為離心和軸流， 本文對FBCDZ-6-980 系列的對旋軸流式通風機進行分析，其中Z、D、C、B 和F 分別代表了主要通風機、對旋式、抽出式、防爆及風機，其電機型號為YBF450S2-6。這類通風機的相關參數見表1。

通風機的內部結構主要包含了葉輪、擴散器、消聲器等。該類通風機所具有的特征主要為：葉輪中的葉片可以自由轉動，依據角度來對風量進行適當調節，具有較好的工作性能，可以維持穩定的運行；風機可以完成反轉及反風操作，極大降低了通風系統的成本；葉輪與電機之間的鏈接可以利用直連形式來實現，減少能耗及故障率；為了使通風機具備較好的效率，葉輪的安裝采取對旋式，以提升通風機的工作效率。

表1 FBCDZ-6-980 型通風機主要技術參數表

2 風機的故障形式和特征

通風機產生的故障類型較多，其主要有：

1）轉子的不平衡性。該故障產生的原因主要為轉子出現了缺陷及其質量出現偏心。

2）動、靜摩擦所造成的振動。該故障產生的原因為風機的質量或人為因素。

3）葉輪因不平衡而產生振動。導致該故障產生的原因是葉輪所具有的不平衡性。

4）喘振。導致該故障產生的原因是風機的運行環境大多具有較大的風壓及風流量。

5）出現較高的軸溫。導致該故障產生的原因主要是風機不具有充足的潤滑油或者制冷體系發生故障，進而導致軸承出現了摩擦熱。

6）風機安裝的軸承出現超標的振動。導致該故障產生的原因為風機內軸承產生的振動超出了規定的范圍。

3 礦井通風機設備監測參數的選擇

1）通風機所形成的振動信號。該參數包含了較為關鍵的信息，本文通過運用傳感器來對水平及垂直方向中軸瓦所產生的振動信號進行收集。

2）通風機所形成的電參數。該參數信息可以將電機的工作狀態加以展現，因此必須對該參數進行有效的檢測及監測。

3）通風機所形成的軸溫。導致風機出現較高軸溫的因素為軸承出現損壞或者缺油、軸承在內圈及外圈運行時產生故障或者軸承出現扭曲。因此必須對該參數進行精確監測。

4 通風機在線監測系統總體結構

其整體結構主要包含了數據的傳輸層、采集層和智能監測分析層，其整體結構如圖1 所示。

圖1 煤礦通風機在線監測系統總體結構

1）智能監測分析層。主要功能是收集風機運行的各個數據，包含數據的分析、查詢、展示等。

2）數據傳輸層。本文所創建的網絡主要運用了ZigBee 網絡。

3）數據采集層。其構成主要包含了無線板塊、核心控制器、各個傳感器，其功能在于收集風機中的各個數據[3-4]。

4.1 終端節點硬件設計

該節點的設計主要包含了三個采集節點，分別為電流電壓的采集、溫度的采集及振動的采集。這三個節點與傳感器相區別。本次設計主要對電源、傳感器、電路等模塊進行設計，其整體結構如圖2 所示。

圖2 終端節點的總體構架

1）電源板塊。所運用的電池為鏗電池。

2）擴展接口板塊。其功能主要是具有擴展作用，例如顯示器等。

3）傳感器板塊。主要利用振動及溫度兩個傳感器來檢測風機的振動、電流等各個信號。

4）無線通信板塊。其功能是將風機的各個工作參數傳輸到協調器內，并執行各個指令。

5）微控制器板塊。主要是利用MCU 來確保無線傳感器維持可靠有效的運行。

4.2 傳感器的模塊選型和設計

該模塊的功能是對通風機的運行狀態進行實時監測，對通風機的電壓、電流等各個參數進行監測。

1）振動傳感器。該傳感器的類型主要有位移、速度及加速器三種傳感器。該傳感器進行檢測的方法及運用見表2。

表2 振動傳感器的實際測量方法及運用

2）溫度傳感器。該傳感器的類型主要有熱電偶、數字式等。其作用主要是對電機中定子及軸承的溫度進行檢測。

3）電量傳感器。為了將通風機中電流及電壓的工作狀態加以反映，本文采取了C2300 型霍爾傳感器，可以對電壓及電流的數值進行檢測。這類傳感器所具有的特征主要為：運行電壓為+12 V 或者+15 V；運行溫度為-40～85 ℃；響應的時間≤5 us；輸出電壓的額定值為1%FS；電流所處的范圍為0～±600 A。

4.3 電源模塊原理

終端電源運用了鏗電池。振動及溫度兩個傳感器、單片機電源的輸入電壓為3.3 V，電量傳感器的供電電壓為12 V。該模塊的原理如圖3 所示。

圖3 電源模塊的原理

4.4 儲存器模塊設計

該模塊所運用的儲存器為K9G8G08UOA 型，其所具有的工作電壓處于2.7～3.6 V 之間，所運用的芯片主要為8 位總線型，內存量為1 GB。

在設計的過程中，其協調器節點中的儲存器主要采取內存為1 GB 的NAND Flash 為電路。為了使操作更為便捷，對ARMS3 C2440 的Flash 控制寄存器進行一定的設置，從而對儲存器進行有效的控制[5-8]。S3 C2440 與K9 G8 G08 UO A 相互連接的電路原理如下頁圖4 所示。

圖4 S3C2440 和K9G8G08U0A 連接的電路原理

4.5 監測軟件設計

該設計主要涵蓋了報警功能、數據報表、監測頁面等。該監測軟件的功能綜合結構如圖5 所示。

5 結語

通過對礦井通風機在線監測系統進行研發及分析，基于該通風機所具有的結構特征及其故障類型，研發礦井通風機在線監測系統的整體結構，為礦井實現自動化及信息化提供可靠的技術支撐。

圖5 系統監測軟件的整體功能結構