礦井通風機智能監控系統的研究

高萬普

（山西華融龍宮煤業有限責任公司，山西 忻州 034100）

引言

礦用通風機作為煤炭礦井正常生產的重要設備，其能否可靠穩定運行不僅關系著井下采礦工人的生命安全，還與煤炭企業的采煤效率和產量息息相關[1-3]。控制系統作為通風機的重要組成部分，為通風機的正常運行傳輸控制指令，使其按照規定的轉速、風量等連續運行[4]。近年來，智能監控技術得到了迅猛發展，在一些傳統設備控制系統的改造過程中得到了應用，取得了較好的應用效果[5-6]。

1 通風機智能監控系統結構

通風機智能監控系統的結構組成如圖1所示，主要包括遠程控制層、集中控制層和現場設備層三部分。遠程控制層的作用是對通風機進行遠程監視與控制，借助以太網與集中控制層完成二者之間的信息交互；集中控制層可謂是監控系統的核心，主要涉及PLC和工控機，負責對通風機實時狀態參數的監測，如風量、風壓、電壓、電流等，同時也能夠實現對現場設備的遠程控制，如通風機的啟停、調速等，還具有通風機故障診斷功能；現場設備層主要是指通風機運行狀態參數實時監測傳感器，完成對通風機現場信號的可靠采集。

圖1 通風機智能監控系統結構組成

2 通風機智能監控的硬件設計

2.1 硬件分系統的設計

通風機智能監控系統中央控制器核心元件為PLC，系統硬件結構組成如圖2所示。PLC是整個系統的監控中心，涉及通風機溫度、風量、電壓、電流等實時參數的監測，完成數據處理之后將其顯示于監控系統的上位機供監控人員遠程觀察通風機的運行情況和掌握通風機的實時運行狀態。同時，PLC也可以通過PROFIBUS-DP現場總線與通風機的變頻器進行通信，實現對通風機的遠程控制與調整功能。上位機實時存儲監控系統的主要功能是獲取并存儲通風機運行狀態數據，當通風機出現故障時，供運維人員調出歷史數據了解故障出現的過程，以降低通風機運維人員的故障排查難度。通風機運行狀態監控系統的數據采集由多種傳感器完成，包括振動傳感器、風量傳感器、電壓傳感器等，傳感器工作性能不僅關系著監控系統功能的實現，還與檢測數據的準確性息息相關，是智能監控系統功能得以實現的重要保證。

圖2 PLC控制系統結構

2.2 PLC控制器的選型設計

依據通風機智能監控系統的設計要求及應用條件，選擇S7-1200系列的PLC作為智能監控系統的控制器，采用模塊化思想開展系統搭建。圖3給出了PLC導軌示意圖，系統中的CPU1214C是PLC監控系統的核心，電源模塊為PM1207，通信模塊為CM1243-5和CM1241，前者支持PROFIBUS信號通信。PLC控制器中的模擬量輸入模塊為SM1231、數字量輸入模塊為SM1221、數字量輸出模塊為SM1222，分別負責通風機檢測信號的采集輸入、采集信號的A/D數字轉換、數字信號的定時輸出等功能的實現。

圖3 PLC導軌示意圖

2.3 傳感器的選型

通風機溫度信號的采集選擇型號為XMD5000的多功能巡檢儀完成，內部溫度采集元件為PT100型溫度傳感器，數據采集靈敏迅速。通風機運行過程中電參數的采集選擇EDA9033A模塊完成，借助RS-485總線將所采集參數實時傳輸至監控系統上位機進行動態顯示。風壓檢測傳感器選擇型號為APG-LC100的壓力傳感器。選擇型號為GQQ0.1（D）的煙霧報警器進行機房火災的預防報警。

3 智能監控系統的軟件設計

3.1 監控系統主程序的設計

智能監控系統監測涉及兩臺通風機，有手動和自動兩種操作模式。手動操作模式時，操作人員能夠根據通風機現場運行情況進行設備操控，多在通風機故障或者調試時應用。圖4給出了1號通風機智能監控系統自動控制模式下的主程序流程，可以看出，在程序啟動之后，風門控制子程序運行，調節控制通風機主副風門，根據現場通風量的要求控制變頻器實現對通風電機轉速的控制。當變頻器的運行狀態不正常時，系統自動重啟變頻器；當變頻器運行正常時，即可開啟通風機現場監測傳感器，完成對通風機運行狀態的實時監控。通過工業以太網將監測數據傳輸至智能監測系統的上位機進行顯示。當1號通風機出現故障時，系統在發出報警信息的同時自動切換至備用通風機（2號），確保井下通風系統的正常運行。

圖4 監控系統主程序

3.2 人機交互界面的設計

人機交互界面作為通風機智能監控系統的重要組成部分，承擔著通風機運行狀態的實時顯示任務，又為監控人員根據通風機實際工作狀態完成通風機指令的輸入提供平臺。通過運行可知，通風機運行狀態在監測界面中的動態顯示，涉及軸承溫度、電機溫度、電機功率、風量等參數，為監控人員提供了可靠的實時監測數據，使其能夠及時掌握通風機現場運行情況，同時，監控人員也可以根據實際情況對通風機運行時的警戒值進行設置。

4 應用效果評價

為了驗證通風機智能監控系統的監控效果，將其應用于某煤炭企業服役中的通風機上進行試運行，跟蹤記錄了監控系統半年內的運行情況。統計結果顯示，相較于通風機原有控制系統，降低了近15%的故障排查時間，減少了2~3名通風機運行維護人員，提高了通風機近10%的利用率，保證了通風機運行的可靠性。可見該智能監控系統運行穩定可靠，滿足通風機自動化、智能化控制的要求。