礦井通風機遠程監控系統設計與應用研究

貟少強，孟 卓，寶銀曇

(陜西能源職業技術學院 煤炭與化工產業學院，陜西 咸陽 712000)

煤礦開采主要集中在地下礦井中，在開采過程中不可避免地會涌出大量的瓦斯、粉塵等有毒有害氣體，對煤礦開采過程的安全構成了嚴重威脅[1]。對礦井進行通風，將井內有毒有害氣體及時排出，同時向礦井內部輸入新鮮空氣，是保障煤礦生產安全的重要舉措[2]。當前，為了提升通風機系統運行的可靠性，通常采用的是冗余設計，準備2臺通風機，1臺作為主用設備，1臺作為備用設備，并且2臺設備采用單獨的線路進行供電。但是對通風設備的監控系統過于簡單，一些關鍵的參數需要通過人工方式進行分析和處理，這使得監控系統的準確性和時效性都大打折扣，無法及時發現問題并解決問題，仍然存在一定的安全隱患[3]。

本文充分結合礦井的實際需求，設計研究了通風機遠程監控系統，可以在地面監控中心對井下的通風設備進行遠程監控。一旦檢測發現通風機存在安全隱患或故障，可以通過聲光警報方式及時提醒相關人員。對于保障礦井的安全和可靠運行具有重要意義。

1 礦井通風機基本情況概述

1.1 礦用通風機系統特點分析

主要以軸流式通風機為例進行介紹。為提升礦井通風系統運行可靠性，通常在2個回風井通道中分別安裝2臺功率、型號完全一樣的通風機[4]。礦井中使用的通風機系統整體結構可以劃分成5大部分：①主電機。回風井通道中需要安裝2臺通風機，每臺通風機配備1臺電機，電機與通風機之間通過傳動結構進行連接。②冷卻通風機。通風系統通常要求24 h連續工作，工作時會產生很多的熱量，為降低發動機運行時的溫度，要在旁邊配備冷卻通風機對其進行散熱。③電機加熱器。備用電機在應急啟動時，如果溫差過大可能導致其無法正常工作，需要通過加熱器對其進行預熱處理。④潤滑站[5]。通風機系統運行時，電機做高速旋轉運動，零件之間發生明顯摩擦，為降低摩擦受損以及摩擦生熱問題，需要對電動機進行潤滑。⑤風門。每臺通風機和回風通道接口部位都設置了風門，且需要單獨進行控制，根據需要實現風門的開合。

1.2 通風機結構組成分析

通風機結構如圖1所示。從圖1中可以看出，通風機主要由擴散器、集風器、工作葉片、流線體、動輪、整流器、機殼等部分構成。其中集風器整體呈現為曲線形狀，且越往里面其口徑逐漸縮小。

圖1 通風機結構組成Fig.1 Structure composition of fan

流線體整體上呈現出曲面圓錐形狀，其作用是對輪轂進行遮蓋，集風器和流線體共同形成入風口。工作葉片安裝在動輪上面，其安裝角度可以根據實際需要實時調整，可以調整的角度主要包括6種，分別為15°、25°、30°、35°、40°和45°，工作葉片安裝時要求相鄰葉片之間的距離保持相等。通風機工作時，動輪旋轉帶動工作葉片旋轉，由于工作葉片帶有弧度，在旋轉過程中會和空氣之間產生沖擊，空氣被葉片擠進氣道，迫使空氣以一定的速度流動。動輪后側還安裝有整流器，其作用是對流入的空氣進行整流處理，避免產生渦流損失現象，使空氣流動速度降低。擴散器的作用是增加氣體流動時的靜壓，防止氣體流動過程中與筒壁發生沖擊、降低氣體流動的能量。

2 遠程監控系統的整體方案設計

2.1 監控系統的層級

設計的通風機遠程監控系統既有集中控制的思想，又有分散控制的思想。監控系統總體上可以劃分為3個層級。

(1)現場監測及控制層。該層級需要完成2個方面的工作。①利用各類傳感器和測量裝置對通風系統現場的裝置和設備的運行狀態信息進行實時檢測；②需要根據中央管理層的控制指令對現場的設備進行控制，如可以對風門的開啟和閉合狀態進行控制[6]。現場監測及控制層通過RS485接口實現與中央管理層之間的數據交互，監測得到的數據信息會實時傳輸到中央管理層。

(2)中央管理層。主要包括數據采集裝置、工業計算機、不間斷電源等。作用是對現場監測得到的數據信息進行采集與管理，并將其輸送到遠程監控層中分析和處理。遠程監控層下達的控制指令也需要通過中央管理層進行判斷后傳輸到現場終端，對通風機系統進行控制。

(3)遠程監控層。主要包括監控大屏、監控計算機、數據服務器等，中央管理層與遠程監控層之間通過工業以太網實現數據傳輸。監控大屏實時顯示通風機系統的運行狀態數據信息，管理人員可以隨時查看。

2.2 遠程監控系統具體方案設計

通風機遠程監控系統具體方案如圖2所示。整個遠程監控系統主要由各類傳感器、S7-200型PLC控制系統、視頻監控系統、工控機等部分構成。從功能層面可以將其劃分為上位機部分和下位機部分[7]。

(1)下位機部分。最重要的是S7-200型PLC控制系統。為了安裝方便以及后續維護保養的便捷性，PLC控制系統采用模塊化設計。現場使用的各類傳感器、設備都需要接受PLC控制系統的控制。利用溫度傳感器、壓力傳感器、風量傳感器等設備，可實時監測通風系統的運行狀態[8]。

圖2 通風機遠程監控系統具體方案Fig.2 Concrete plan of the remote monitoring system of the ventilator

(2)上位機部分。作用是對下位機部分采集的數據信息進行實時顯示，還需要對數據信息進行分析。在監控系統內設置安全閾值，一旦實際運行參數超過安全閾值就會向外發出警告。同時下達控制指令，實現對通風系統的遠程控制，所有數據信息都會存儲以便后續查詢。

3 主要硬件設施選型及軟件程序設計

3.1 硬件系統總體設計

硬件是確保系統可靠運行的基礎和前提。通風機遠程監控系統的硬件整體構成如圖3所示。

圖3 監控系統硬件總體框架Fig.3 Overall framework of monitoring system hardware

從圖3中可以看出，整個硬件可以劃分成為監測部分和視頻部分。其中，監測部分又可以劃分為上位機部分和下位機部分，下位機主要以PLC控制器為核心，同時包含有很多傳感器，實現對通風機現場狀態數據信息的采集與監控；上位機部分主要包括工業級計算機，通過光纖網絡實現與下位機部分的連接，上位機需要將下位機采集得到的數據信息進行處理、存儲、分析等，并可以對通風機系統進行遠程控制。視頻部分主要是高清攝像儀，通過攝像儀對通風機房以及風門部位進行取像。采集得到的視頻信息通過光纖網絡傳輸到監控室，可協助完成通風機的遠程控制。通風機現場出現故障時可以快速對問題進行定位，并引導維修人員快速到達現場，縮短故障排除時間。

3.2 通風機監控系統的主控電路設計

通風機遠程監控系統的主控電路設計如圖4所示。如圖4所示，共包含有3臺電機，1臺為風門部位電機，2臺為液壓站泵電機A和B。通過KM1和KM2兩個交流接觸器實現風門電機的正反轉控制，使用KM3和KM4分別對2臺液壓站泵電機A和B進行控制。KM5交流接觸器的作用是對液壓站的加熱情況進行控制，R3表示電阻，運行時功率可以達到5 kW。QF0表示隔離開關，1RJ1、1RJ3、1RJ4依次表示3臺電機的熱繼電器。

圖4 通風機遠程監控系統的主控電路設計Fig.4 Main control circuit design of remote monitoring system for fan

3.3 主要硬件設施選型設計

(1)主控制器的選型。首先要明確連接的傳感器數量以及智能巡檢儀的路數，同時預留一定的余量，以便遠程監控系統后續功能的拓展。結合以上實際情況，選用S7-200型PLC控制器，其CPU模塊為226型號，該型號控制器的I/O接口數量以及內存大小均能滿足系統實際需要以及后續功能的拓展要求[9]。S7-200型PLC控制器實物如圖5所示。

圖5 S7-200型PLC控制器實物Fig.5 Physical picture of S7-200 PLC controller

(2)傳感器的選型。傳感器的作用是利用敏感元件對通風機系統的運行狀態進行監測，其原理是將非電量的狀態信息轉變成為電量信息，進而計算得到通風機系統的狀態信息，并對其進行顯示。傳感器的基本工作原理如圖6所示。

圖6 傳感器的基本工作原理Fig.6 Basic working principle of the sensor

選用的傳感器類型有很多種，遠程監控系統使用的傳感器名稱及型號見表1。

表1 遠程監控系統使用的傳感器名稱及型號Tab.1 Name and model of the sensor used in the remote monitoring system

傳感器檢測得到的信息會實時傳輸到S7-200型控制器中進行分析，判斷這些狀態信息是否在安全閾值范圍內。同時，傳感器需要接受遠程監控系統的控制，按照要求啟動和停止工作。為了保障傳感器工作時的安全性，所有傳感器都必須具有隔爆功能。

(3)高清攝像儀的選型。在設計遠程監控系統時，兼顧系統的建設成本以及安全需要，選用了2種類型的高清攝像儀[10]。①不具備防爆功能，具體型號為PTZ-4GOS1-DH200WS/D6-W-XG，主要安裝在沒有防爆要求的場合，比如機房操作臺、配電室等位置；②具有防爆功能的攝像儀，具體型號為KBA，主要安裝在有防爆要求的場合，比如風門位置。礦用高清攝像儀如圖7所示。

圖7 礦用高清攝像儀Fig.7 Mine HD camera

3.4 系統的軟件程序設計

(1)遠程監控系統的主程序。礦井通風機遠程監控系統的程序流程如圖8所示。

圖8 遠程監控系統的主程序流程Fig.8 Main program flow chart of the remote monitoring system

系統啟動后首先對系統參數進行初始化處理。然后上位機開始下達指令，對下位機采集的數據進行收集，需要收集的數據包括通風機使用的電力參數、故障處理參數以及風機的開啟、停止參數等。上位機對數據信息進行分析，判斷是否在安全值范圍內。比如，如果發現油位不足則立即啟動油泵供油，發現風門未開啟則立即下達指令開啟風門。

(2)備用通風機啟停控制程序。如果主通風機出現故障無法工作時，在短時間內啟動備用通風機顯得非常關鍵，對備用通風機的啟動與控制程序非常重要。備用通風機的啟動與停止控制流程如圖9所示。需要判斷主通風機是否停止運行，如果確實停止運行則需要立即啟動備用通風機。為了保障備用通風機的正常穩定運行，需要對油壓、電機定子繞組溫度、軸承溫度等進行實時監測。

圖9 備用通風機的啟動與停止控制程序流程Fig.9 Flow chart of the start and stop control program of the standby fan

(3)故障報警程序。不管是主通風機還是備用通風機，其在運行時都需要對其狀態數據信息進行實時監測和采集。具體采集的數據信息包括通風機工作時的電流和電壓、電機內部定子和軸承的溫度、電機轉速、風機靜壓、油站的溫度和壓力、通風機在橫向和豎向的振動情況。系統針對以上數據信息全部設置了安全范圍，如果檢測到的狀態數據信息超過了安全范圍，時間超過2 s，系統就會判斷存在安全隱患或故障問題，進而在上位機監控大屏上顯示對應的故障問題，并發出警告。

4 應用效果分析

將以上設計研究的遠程監控系統應用到煤礦開采工程實踐中，對其應用效果及產生的經濟效益進行了詳細分析。

4.1 通風機遠程監控系統的應用效果

(1)利用遠程監控系統可以對通風機進行遠程監控，提升了通風機運行的可靠性。一旦礦井通風機出現故障問題，該監控系統能夠及時發現故障問題，為縮短故障的排除時間奠定了良好的基礎。

(2)使用遠程監控系統后，工作人員可以通過監控大屏實時觀察通風機系統的現場情況，通過遠程方式控制備用通風機啟動，顯著縮短了備用通風機的啟動時間。

(3)遠程監控系統在礦井內安裝了很多風速、風量傳感器，可實時監測通風情況。如果系統監測到通風存在異常，會發出聲光警報。通過傳感器還可以對開關柜、通風機設備本身的運行狀態進行實時監測，可以及時發現設備運行時出現的小問題，避免引發更大的風險隱患。

4.2 效益分析

(1)遠程監控系統的應用，使得通風機系統可以充分根據工作面實際通風情況來調整電動機運行的效率，以便調節通風量的大小。可以起到節能減排的效果，為煤礦企業節省能源消耗費用。

(2)使用遠程監控系統前，為了確保通風機運行的可靠性，需要安排專人對通風機進行值班看守，為煤礦企業增加了大量的人力成本。在使用遠程監控系統后，則不需要安排專人對通風機進行看守，只需安排巡邏人員對通風機進行巡邏即可，人員數量有了明顯的降低。

5 結論

在分析礦用通風機實際工作情況的基礎上，設計研究了遠程監控系統：①設計的礦用遠程監控系統總體上可以劃分為3個層級，不同層級發揮著不同的作用，共同實現遠程監控系統的各項功能；②遠程監控系統的主控制器選用的是S7-200型PLC控制器，利用各類隔爆傳感器對通風機系統的運行動態數據信息進行實時監測，選用高清攝像儀對現場的情況進行攝像并傳輸到井上監控中心，輔助完成控制工作；③遠程監控系統工作時，可以對主通風機和備用通風機的啟停進行精準控制，保障通風機系統運行的可靠性，同時還對設備運行過程中的安全隱患問題進行實時判斷，一旦發現存在問題及時顯示在監控大屏中，并發出警報；④將設計的遠程監控系統應用到通風機工程實踐中，取得了較好的應用效果，通風系統運行的可靠性得到顯著提升，有效保障了礦井安全，同時還為煤礦企業節省了大量的能源消耗和人力成本，產生了一定的經濟效益。

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