礦井主通風機在線監控系統設計

李曉強

(陽泉煤業(集團)有限責任公司 技術中心， 山西 陽泉 045000)

0 引言

主通風機是煤炭礦井安全生產的關鍵設備之一，當出現有害氣體泄漏、瓦斯超標等事故時，風機能夠排走有害氣體及時補充新鮮空氣，對保障人們生命安全，促使救援工作順利進行具有重要意義，風機運行的安全性和可靠性是煤礦標準化建設的需要[1]。在線監控裝置是一種用來監測各種氣體、液體、溫度、壓力、振動等參數及設備運行狀態的裝置，可以用來監控主通風機、空壓機、水泵等大型設備，為各種設備的安全穩定運行提供保障。

在風機監測與預警的研究方面，國內的專家學者開展了大量的研究工作，取得了一定的成果，推動了煤礦設備管理向無人值守、智能化方向發展。張瑞[2]等應用快速傅里葉變換、短時傅里葉變換等先進信號處理算法對風機的振動、轉速、溫度、風壓等多類運行參數進行實時監測，建立了基于物聯網的風機全壽命周期預警系統；周云龍[3]等基于Visual C++開發，對系統中涉及到的監測數據存儲和多線程等關鍵技術進行了改進和代碼的優化，改善了系統的實時性和穩定性；董文豪[4]利用冗余技術建立了電力風機的健康監測系統，該系統不僅實現了風機的健康管理，而且提高了系統的穩定性，從而保證了風機能夠較為平衡、高效地投入生產工作；王宜祥[5]應用無線傳感技術，設計了一套新型礦用風機故障診斷系統，可快速定位風機故障，縮短預警響應時間，提高生產的安全性。

1 系統結構

QFJK-V型風機實時監控與預警系統結構清晰，分為上位機、下位機部分和現場設備3部分，整體結構圖如圖1所示。

圖1 整體結構

上位系統使用工業級控制計算機，下位則由西門子PLC、中間繼電器、電力采集模塊組成，安裝于PLC防爆柜內。現場設備由壓力變送器、振動傳感器、PT100熱電阻、電壓電流互感器、控制按鈕等執行機構組成，安裝于設備殼體、配電柜和操作臺。系統相關技術參數及傳感器精度如表1所示。

表1 技術參數及相關傳感器精度

2 系統主要功能

本系統利用壓力變送器、振動傳感器和溫度傳感器等儀器可實時監測電動機(前、后)軸承溫度和電動機定子繞組溫度，并在超限時報警；系統可對風機運行過程中以下關鍵參數進行提取：靜壓、全壓、風速、風量、效率；風機電動機的電氣參數：電壓、電流、有功功率、功率因數；實時監測設備振動情況，系統各參數監測范圍如表2所示。

表2 系統參數監測范圍

對風機實施就地、遠控，控制風機的啟閉；通過就地或遠程控制實時監測并控制設備進行抽風或反風作業；實時監測并控制風門或蝶閥的開啟與關閉，并控制風機的電控設備，在對空風門和檢修風門的配合下可實現不停風倒機；同時可調節葉輪轉速，實現根據不同通風距離實現相應供風量的目標。

3 工作原理

3.1 實時在線監測溫度

風機在旋轉過程中軸承和定子和發熱，溫度過高會影響電動機的使用壽命，也對風機的穩定運行帶來不利影響，一旦電動機因溫度過高而損壞會造成風機停轉，井下工作面通風停止，瓦斯濃度升高，嚴重威脅井下人員和設備的安全。因此，實時監測電動機溫度是否異常，對保障風機的安全運行具有重要意義。

采用多個溫度傳感器對電動機的定子和軸承進行監測，傳感器內置熱敏電阻，電阻型號為pt100，監測軸承溫度的傳感器一般安裝在電動機前、后軸承端蓋的圓孔內，而監測定子溫度的傳感器則需預裝在電動機的定子繞組內部，一般在設計制造電動機時進行傳感器的預置。

3.2 在線監測氣體壓力

主通風機采用抽出式通風，其壓力分為全壓、靜壓和動壓，此處測量的壓力為風機的全壓。風機的壓力決定了通風的距離，若壓力過小則不能保障正常的通風需要。

監測氣體壓力的工作原理如圖2所示，在風機的風筒內設置管道，風機運行時流經風筒內的氣流通過管道將壓力傳送至壓力變送器。

圖2 壓力測量原理

它可將收到的壓力信號轉變為電流信號，一般為4～20 mA，電流隨風筒內氣流壓力的改變而變化，電流信號經過模/數轉換模塊(A/D轉換模塊)處理后轉變為電腦能識別的數字信號，并通過顯示器在電腦軟件的監測頁面中顯示出來，從而實現對風機壓力的實時監測。設定壓力的正常使用范圍，當檢測到風機的壓力異常時自動預警系統啟動，快速定位故障來源和故障類型，并向控制室報警。當短時間內無法解決問題時，可通過控制系統啟動備用風機，實現主備用風機的切換。

3.3 在線監測設備振動

風機為旋轉類機械，在工作過程中會產生振動和噪聲，振動不可避免，但振動過大會損壞設備，降低設備的使用壽命。另外對旋風機的兩級葉輪產生的振動過大，可能造成葉輪與風筒發生碰撞，造成葉片碎裂，進而導致風機停止供風，井下局部地區瓦斯濃度升高，因此，監測和控制風機的振動幅度處于合理的范圍內，對保障風機的穩定性具有重要意義。

監測風機振動的原理與監測風機壓力的原理相似，兩者都是通過變送器先將振動位移或壓力轉換為電流信號，然后經過A/D轉換模塊加工處理后轉變為電腦能識別的數字信號，在經顯示器在控制室中將振動的幅度顯示出來。當風機兩葉輪的振動幅度超過一定數值后，系統自動預警。風機振動監測原理如圖3所示。

圖3 風機振動測量原理

4 結論

本系統可實現風機運行參數的實時監測，通過預警系統實現故障自動診斷、報警，通過遠程和就地控制系統實現設備自動控制，對實現煤礦安全生產具有重要意義，其具有以下優點。

1) 可通過就地控制和遠程控制實現風機及各種配套風門的啟閉，實現一鍵啟機。

2) 響應時間短，可快速定位故障點及故障類型，實現快速應急反應。

3) 可通過互聯網技術實現遠程實時監測各關鍵部件運行狀況，并生成數據報表。