煤礦通風機在線監控系統應用研究

郭亞濤，田新旗

(河南永錦能源有限公司，河南 禹州 461670)

煤礦開采過程中，礦井內部會涌現出大量瓦斯以及其他有毒有害氣體，對煤礦開采安全構成了嚴重威脅[1]。煤礦通風機的作用是向礦井內部輸入新鮮空氣，同時將礦井內的有毒有害氣體排出井外，優化礦井工作環境，使之達到煤礦安全生產規范要求[2]。通風機在煤礦生產過程中的安全性是不言而喻的，一旦通風機系統出現故障問題就會威脅礦井生產安全。隨著煤礦開采朝著縱深方向發展，對通風機系統的安全性要求越來越高，通風過程中風量過大或過小、通風量過多或過少都會對礦井安全造成一定的影響，嚴重時會引發嚴重的煤礦生產安全事故[3]。基于此，有必要設計研究煤礦通風機在線監控系統，對通風機系統運行過程狀態進行實時采集監控[4]，以便及時發現煤礦通風機運行過程中存在的安全隱患，并采取措施進行處理，將小隱患扼殺在萌芽階段，避免引發更大的安全事故。本文結合煤礦通風機實際情況，設計研究了一種在線監控系統，并將其應用到煤礦工程實踐中，取得了很好的效果，值得其他煤礦企業借鑒。

1 煤礦通風機概況

1.1 礦井基本情況

某礦井每年的產煤量達到了220萬t，井田的長度和寬度分別大約為8 km和2 km，整體面積大約為15.62 km2。經過實踐探測發現礦井的相對瓦斯涌出量和絕對瓦斯涌出量分別達到了13 m3/t和46.8 m3/min，對比《煤礦安全規程》可知該礦井屬于高瓦斯礦井。目前礦井總共有2個采區，分別在東部區域和西部區域，2個采區分別設置有主通風機。本文主要以東部區域的主通風機為研究對象。

1.2 主通風機概述

為了確保煤礦開采過程的安全，主通風機系統使用了2臺通風機(1用1備)。2臺通風機的型號均為G4-73-11.25D，屬于離心式通風機，額定電壓為1 140 V，功率為315 kW。正常運行時，通風機的旋轉速度可以達到730 r/min，提供的風量為90m3/s，全壓為1 200～4 200 Pa。

2 在線監控系統整體方案設計

2.1 方案設計

在線監控系統的主要作用是利用檢測裝置對煤礦通風機運行狀態進行實時監測，并基于通信系統傳輸到上位機中，上位機對監測數據進行分析評判，從而發現通風機系統運行中存在的安全隱患。需要監測的數據主要包含：①風機運行工況。風機振動情況、風速、風量、全壓等；②電機運行工況。定子繞組和軸承的溫度、電壓、電流及功率等；③開關量數據。風門的開啟狀態、電機旋轉方向、通風機的啟停狀態等。一旦發現以上狀態數據存在異常時，系統會向外發出聲光警報[5]。

2.2 整體框架

通風機在線監控系統作為保障設備安全運行的重要措施和手段，需要同時對通風機的多種狀態數據信息進行實時監測[6]。在充分考慮通風機現場實際情況的基礎上，最終確定分別以PLC控制器和DIP8011軟件系統作為硬件核心和軟件核心，再配合使用各種本質安全型隔爆傳感器以及工業計算機等儀器設備，構建完整的監控系統。通過傳感器采集得到的各種模擬量信號，基于模擬量輸入和輸出模塊可以將其傳輸到工業控制計算機中，各種開關量信號同樣需要傳入到PLC控制器中進行分析和處理。PLC控制器獲取相關數據后，一方面會將其存儲到數據庫中，另外還需要將其傳輸到LED顯示器中進行實時顯示。如果經過控制器分析處理后，發現通風機設備存在安全隱患或故障問題，則會發出聲光警報。工業控制計算機通過UPS不間斷電源進行供電，確保緊急情況下監控系統仍然能夠正常運行。在線監控系統整體方案框圖如圖1所示。DIP8011軟件系統安裝在工業控制計算機中。

圖1 在線監控系統整體方案框圖Fig.1 Block diagram of the overall scheme of the online monitoring system

從圖1中可以看出，煤礦通風機系統中，包括通風機、變頻器電控柜、蝶閥等都是需要監測的對象，因為這些硬件設施會對系統運行產生比較重要的影響。這些設備的狀態信息，通過傳感器和變送器等進行采集、傳輸，最終全部轉換成為4～20 mA的電流或者1～5 V的電壓信號。通過A/D轉換器將其轉換成為數字量信號后才能夠被PLC控制器接受并處理。

3 監控系統硬件部分設計

3.1 檢測單元的選型設計

(1)溫度傳感器。采用WTP-270型鉑熱電阻傳感器對溫度進行檢測，測量溫度在-200～420 ℃，輸出的模擬量信號在0～5 V DC范圍內變化。溫度傳感器主要是對電機的繞組和軸承溫度進行檢測，每臺電機需要使用5支傳感器(繞組部位安裝3支溫度傳感器，2個軸承部位各安裝1支傳感器)。共有2臺通風機，每臺通風機配備有2臺電機，共需要使用20支溫度傳感器。

(2)風壓傳感器。由于通風機輸出的風壓流暢不是非常穩定，測量時存在一定難度。研究基于局變環節壓差法對風壓進行檢測，風壓傳感器基本原理流程如圖2所示。其中，引壓裝置和濾配裝置都安裝在通風機風道內的局變環節。壓差變送器安裝在配電柜中，型號為SMP2088，該設施具有較高的精度及靈敏度，測量范圍較廣(5～10 kPa)。

圖2 風壓傳感器基本原理流程Fig.2 Basic principle flow chart of wind pressure sensor

(3)振動傳感器。煤礦生產環境比較復雜，通風機工作時出現振動的原因是多方面的，難以根治。選用的振動傳感器型號為YY950，對設備運行時X和Y方向上的振動情況進行檢測[7]。正常工作時的溫度在-30～70 ℃，靈敏度和線圈最大位移分別為19.7 mA/mm/s和1.5 mm。根據煤礦生產安全規范要求，通風機工作時最大振動幅度不得超過7 mm。如果檢測振動幅度超過了7 mm，系統會立即發出聲光信號，提示工作人員立即處理，消除安全隱患。為了更好地對通風機振動情況進行檢測，還配套使用了SLW-3004型位移變送器，可以對設備運行時的振動頻率及其位移量進行準確檢測。

(4)電量信號檢測裝置。基于R4233型智能綜合電參數采集模塊對通風機電機運行過程中的各項電參數，包括功率、三相電壓、三相電流等進行實時采集[8]。該采集模塊可以通過串口通信的模式與PLC控制器實現數據信息傳輸，支持多種協議模式，包括MODBUS協議模式和ASCII碼協議模式，顯著提升了該檢測裝置的環境適應性。R4233型智能綜合電參數采集模塊原理如圖3所示。

圖3 R4233型智能綜合電參數采集模塊原理Fig.3 Schematic diagram of R4233 intelligent comprehensive electrical parameter acquisition module

3.2 PLC控制器的選型設計

PLC控制器目前已經發展非常成熟，市場上有多種類型可供選擇。但S7-300系列PLC控制器在工業領域有非常好的應用效果[9]，因此選用該型號。選用的模擬量輸入模塊和輸出模塊型號分別為6ES7 331-7KF01 0AB0和6ES7 332-5HD01-0AB0。結合現場實際情況，在線監控系統共需要輸入的模擬量數量為50個，而PLC控制器中每個模擬量輸入模塊只有8個通道，所以共選用了7個模擬量輸入模塊，能夠滿足實際使用需要。系統中需要使用的模擬量輸出通道為2個，使用1個輸出模塊即可。S7-300型PLC控制器模擬量輸入模塊的電路結構示意如圖4所示。

圖4 模擬量輸入模塊的電路結構示意Fig.4 Schematic diagram of the circuit structure of the analog input module

控制器中選用的開關輸入模塊和輸出模塊型號分別為6ES7 321-1BL00-0AA0和6ES7 322-1BH01-0AB0。其中，開關輸入模塊的主要作用是將開關量信號轉換成為“0”和“1”電平信號，這樣才能夠傳輸到CPU模塊中進行處理。系統中的開關量輸入信號數量為24個，使用1個模塊就能滿足要求。開關量輸出模塊的作用是將PLC控制器輸出的電平信號轉換成為數字量信號，同時還可以對信號進行放大，同樣只需要1個模塊即可滿足現場需求。

CPU模塊是PLC控制器中的核心部分，其性能好壞直接決定了PLC控制器的質量，選用的CPU模塊型號為315-2 DP，其具有強大的運算能力，可以同時進行多通道運算。電源模塊的作用主要是對PLC控制器中所有的模塊進行供電，選用PS-307-1KA01-0AA01型電源模塊，可以將外部輸入的電壓轉換成為24 V直流電壓。通信模塊選用CP343型，基于該模塊可以實現以太網通信以及與其他硬件設施的連接通信。

4 監控系統的軟件部分設計

軟件程序部分的質量會對整個系統運行的穩定性產生決定性的影響。以下主要從PLC軟件程序和DIP8011軟件系統2個層面進行詳細介紹。

4.1 PLC程序設計

在STEP7軟件中完成PLC軟件程序設計[10]。基于模塊化思想對軟件程序進行設計，將整個在線監控系統的功能進行劃分，針對不同的功能分別進行程序設計，這種設計思想不僅便于軟件程序的實現，同時也有助于后期對程序的維護。通過模塊化設計可以對需要采集的系統運行狀態數據信息進行分類采集，并分類輸出不同的結果。軟件程序包含一個主程序和若干個子程序，通過主程序對子程序進行調取。PLC軟件主程序流程如圖5所示。

軟件開始運行后，系統通電首先對上周期運行的數據進行清零處理，為此次在線監控工作做好準備工作，然后開始程序的其他各項操作。從圖5中可以看出，在主程序的運行過程中，會不斷地調取各種子程序。比如，確定啟用系統的監控和監視功能后，主程序開始調用功能模塊子程序FC1、FC2、FC3。其中，子程序FC1的作用是完成上位機相關數據量的顯示；子程序FC2的作用是對兩臺通風機及對應的2個蝶閥外圍動作進行邏輯控制；子程序FC3的作用是將采集得到的狀態數據信息傳輸到上位機中。另外，在風機啟動以后，還會調用FC95、FC100和FC105子程序，其主要作用是對通風機運行過程中涉及到的模擬量數據信號進行采集、邏輯比較、執行輸出。

圖5 PLC主程序流程Fig.5 PLC main program flow chart

4.2 DIP8011軟件系統

該系統基于客戶期器/服務器的結構模式，采用的是比較常用的SQL數據庫對數據進行存儲，整個系統主要由多個子系統構成。

(1)配置子系統。針對整個系統以及數據采集網絡進行組態是配置子系統的主要任務。配置子系統的主要工作流程如圖6所示。

由圖6可知，需要配置的主要包括用戶管理、系統設置、地圖管理、數據字典定義等部分。①用戶管理最重要的是對不同級別的人員劃分不同的權限，權限越高的人員使用的功能越多；②系統設置主要是對系統的通信、串口、進程等方面進行設置，比如可以對數據采集的周期、延遲時間等進行設置；③在地圖管理模塊中，可以向系統中導入礦井地圖，并且設置監控點，可以在系統中對礦井地圖進行編輯；④數字字典定義的作用是對數據采集設備相關的信息進行設置，比如可以設置設備的類型、處理方式等；生成儲存表的作用主要是對采集得到的數據信息進行分類，并將其存儲到歸類的數據表中，比如有電力參數儲存表、振動信息儲存表等。根據配置子系統可以充分結合礦井實際情況對整個在線監控系統進行有效的配置，使之更好地適應現場情況。

圖6 配置子系統的主要工作流程Fig.6 Main work flow chart of the configuration subsystem

(2)數據處理與查詢子系統。軟件對采集到的數據信息進行存儲，用戶隨時可以將存儲在數據庫中的狀態數據信息進行提取、查看，并且可以對數據進行簡要處理，使之以可視化的形式呈現。可以查詢的信息包括通風機系統運行實時狀態數據信息、某一個參數隨時間的演變情況、故障或者安全隱患報警信息等。

(3)地圖管理子系統。軟件中地圖管理子系統的主要作用是將采集得到的通風機運行狀態數據信息以可視化的形式進行呈現。

5 應用效果評價

本文所述的煤礦東部區域礦井主通風機，之前沒有使用在線監控系統，主要通過人工方式對通風機進行巡查和檢修。無法實時掌握設備運行狀態信息，在第一時間發現存在的安全問題，嚴重制約著通風機系統運行的穩定性和可靠性。為了驗證煤礦通風機在線監控系統的可行性，基于上文所述的設計方案，將其應用到煤礦工程實踐中。截至目前，在線監控系統在煤礦中已經連續運行1年時間，發現系統整體運行良好，整個運行期間沒有出現明顯的故障問題。基于監控系統可以對通風機運行過程中的風速、風量、振動、溫度等關鍵運行狀態信息參數進行監控。基于上位機監控大屏，工作人員可以實時掌握通風機運行狀態。通風機系統在運行期間出現了多次聲光警報，主要問題集中在通風量過小、軸承溫度過高等，為工作人員及時發現問題并解決問題贏得了寶貴時間，有效保障了煤礦安全。總之，煤礦通風機在線監控系統的成功實踐應用，為通風機設備日常的維護保養、檢修等工作提供了很好的數據支撐，顯著提升了設備運行的穩定性和可靠性，降低了通風機系統的日常運行維護保養成本，維護成本可以降低30%以上，取得了良好的經濟效益和安全效益。

6 結論

本文以煤礦通風機為研究對象，對其在線監測系統進行了設計研究與應用，所得結論主要如下。

(1)設計的在線監控系統，基于數據量采集模塊對通風機各部分的運行狀態信息進行實時采集，通過通信系統實現與上位機部分的連接。采集到的狀態信息傳輸到上位機中進行分析處理，一旦存在安全隱患，系統會發出聲光警報。

(2)檢測單元主要包括溫度傳感器、風壓傳感器、振動傳感器、電量信號檢測裝置等，選用的PLC控制器型號為S7-300。軟件部分主要是對PLC和DIP8011軟件系統2個層面進行詳細介紹。

(3)將設計的監控系統應用到煤礦生產實踐中，基于應用情況發現取得了很好的效果，能準確地對通風機運行中存在的安全隱患進行警告，不僅降低了通風機設備的維護保養成本，且顯著提升了煤礦生產的安全性。