礦井通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究

張子甲

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)臺(tái)頭前灣煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042103）

引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是煤礦井下正常作業(yè)的重要保障，通風(fēng)機(jī)作為通風(fēng)系統(tǒng)的心臟，其運(yùn)行安全可靠性直接關(guān)系著礦井的安全作業(yè)[1-3]，因此對(duì)通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控至關(guān)重要。目前，礦井通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)多采用單參數(shù)預(yù)警，經(jīng)常出現(xiàn)礦井通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)評(píng)判不全面和故障時(shí)無(wú)法及時(shí)報(bào)警，使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法發(fā)揮應(yīng)有作用[4]。因此針對(duì)某煤礦服役中的通風(fēng)機(jī)單參數(shù)監(jiān)測(cè)帶來(lái)的問(wèn)題，對(duì)礦井通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求

礦用通風(fēng)機(jī)常見(jiàn)故障涉及軸承故障、扇葉故障、轉(zhuǎn)子故障等，這些故障主要出現(xiàn)在礦用通風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)位置，是需要監(jiān)控系統(tǒng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的地方。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)需要具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦用通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的功能，一旦運(yùn)行參數(shù)出現(xiàn)超差，就能發(fā)出故障預(yù)警，同時(shí)能夠存儲(chǔ)礦用通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，供監(jiān)控人員調(diào)用查看。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

根據(jù)礦用通風(fēng)機(jī)對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)的需要分析，完成礦用風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，如圖1 所示。監(jiān)控系統(tǒng)主要由上位機(jī)、PLC 控制器、傳感器、智能電表、電機(jī)、變頻器等元器件組成，在工作過(guò)程中，系統(tǒng)通過(guò)不同類型傳感器采集得到通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)，經(jīng)系統(tǒng)的I/O 轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)傳輸至PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并會(huì)同智能電表和變頻器等經(jīng)TCP/IP 協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)進(jìn)行顯示，使監(jiān)控人員能夠根據(jù)礦用通風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)及趨勢(shì)對(duì)其發(fā)出控制指令，包括變頻器、風(fēng)門開(kāi)關(guān)等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)礦用通風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程控制功能。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 監(jiān)控系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

3.1 傳感器

傳感器作為礦用通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的來(lái)源，工作時(shí)能夠根據(jù)一定的規(guī)律感受被測(cè)物理量的信號(hào)。傳感器在礦用通風(fēng)機(jī)中的布置方式如圖2 所示，圖中的風(fēng)量傳感器、風(fēng)壓傳感器、溫度傳感器、振動(dòng)傳感器以及智能電表等器件負(fù)責(zé)采集礦用通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的風(fēng)壓、風(fēng)量、軸承溫度、電壓、電流等實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)。

圖2 傳感器布置位置

3.2 PLC 控制器

PLC 為可編程邏輯控制器的簡(jiǎn)稱，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較為廣泛。PLC 內(nèi)部的模擬量輸入模塊可以直接接收來(lái)自各種傳感器的模擬信號(hào)，模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析處理之后由模擬量輸出模塊傳輸至變頻器，以便調(diào)節(jié)通風(fēng)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。PLC 內(nèi)部的開(kāi)關(guān)量輸入模塊用于接收開(kāi)關(guān)通斷信息，開(kāi)關(guān)量輸出模塊則根據(jù)邏輯控制關(guān)系控制系統(tǒng)中各繼電器的通斷。PLC 主控模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析，借助以太網(wǎng)及TCP/IP 協(xié)議將分析結(jié)果傳輸至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示與控制。

3.3 變頻器

變頻器主要被用于控制通風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其原理是運(yùn)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)改變電機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)調(diào)速目的。變頻器工作時(shí)先經(jīng)過(guò)一次AC/DC轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過(guò)一次DC/AC 轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)頻率的無(wú)極調(diào)速，頻率改變值由PLC 數(shù)據(jù)輸出模塊控制。變頻器接線關(guān)系如圖3 所示。

圖3 變頻器接線關(guān)系

4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

4.1 PLC 程序的設(shè)計(jì)

在STEP7-Micro/WIN SMART 環(huán)境中進(jìn)行PLC程序的編寫，結(jié)合礦井生產(chǎn)情況，確定PLC的主要功能是數(shù)據(jù)采集，包括模擬量、開(kāi)關(guān)量等，處理數(shù)據(jù)之后輸出控制繼電器、變頻器等動(dòng)作。借助傳感器完成模擬數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)移動(dòng)字指令MOV_W 和雙整數(shù)轉(zhuǎn)為浮點(diǎn)數(shù)指令DIR 等，例如，將電機(jī)軸承溫度傳感器信號(hào)傳入PLC 并存儲(chǔ)，處理之后將其傳輸至上位機(jī)顯示軸承溫度數(shù)值。開(kāi)關(guān)量狀態(tài)包括開(kāi)和關(guān)，代表控制器件的通斷狀態(tài)，例如，把需要顯示輸入I 與中間繼電器M點(diǎn)直接連接，通過(guò)M 點(diǎn)傳入上位機(jī)來(lái)表示I 點(diǎn)的通斷。模擬量輸出經(jīng)變頻器計(jì)算得出不同的參數(shù)，再通過(guò)移動(dòng)字指令MOV_W 被傳入模擬量輸出寄存器AQW，根據(jù)要求輸出不同頻率的控制電機(jī)功率。開(kāi)關(guān)量輸出主要用于實(shí)現(xiàn)PLC 對(duì)繼電器的控制功能。

4.2 通訊方式的實(shí)現(xiàn)

因本監(jiān)控系統(tǒng)中的PLC 與組態(tài)王之間采用網(wǎng)絡(luò)接口連接，需要配置OPC 軟件。建立連接專用文件，包括不同PLC 變量文件和變量、組態(tài)定義的變量一一對(duì)應(yīng)的地址及其開(kāi)關(guān)量或數(shù)字量。OPC 軟件中的“數(shù)據(jù)類型”即變量對(duì)應(yīng)的類型，組態(tài)王的變量對(duì)應(yīng)PLC的量這兩者的數(shù)據(jù)類型需一致，否則讀取或輸出時(shí)會(huì)出錯(cuò)。

4.3 顯示界面的設(shè)計(jì)

礦用通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)界面不僅可以實(shí)時(shí)顯示通風(fēng)機(jī)各運(yùn)行參數(shù)，供系統(tǒng)監(jiān)控人員及時(shí)了解礦用通風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)工作狀況，同時(shí)，監(jiān)控人員也可以根據(jù)獲取的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及其變化趨勢(shì)，修改礦用通風(fēng)機(jī)相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)礦用通風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程控制功能。如圖4 所示，極為形象地顯示了礦用通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況，包括進(jìn)風(fēng)閘門的開(kāi)關(guān)、風(fēng)量和風(fēng)速等。監(jiān)控人員可以通過(guò)主界面中的按鈕完成監(jiān)控界面的切換，實(shí)現(xiàn)報(bào)警參數(shù)設(shè)置、故障預(yù)測(cè)、歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表下載打印等功能。

圖4 礦用通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主界面

5 監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用效果

為了驗(yàn)證礦用通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)效果，將其應(yīng)用于某煤礦服役中的礦用通風(fēng)機(jī)進(jìn)行試運(yùn)行，進(jìn)行了為期半年的跟蹤記錄，結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿足礦用通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制功能。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，該監(jiān)控系統(tǒng)在試運(yùn)行中，未出現(xiàn)故障報(bào)警滯后的情況，相較于原監(jiān)控系統(tǒng)，節(jié)省系統(tǒng)運(yùn)維人員2～3 名，減少了近12%的故障排查時(shí)間，降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了近10%的采煤機(jī)械利用率，降低了煤炭掘進(jìn)成本，提升了煤炭企業(yè)的產(chǎn)量，取得了很好的應(yīng)用效果。