通風機監控系統設計應用*

胡少東

(晉能控股煤業集團四老溝礦綜合管理區，山西 大同 037000)

0 引 言

礦用通風機是煤礦生產中的四大設備之一。礦用通風機主要功能是新鮮空氣輸送、有害粉塵以及有害氣體的排除，是煤礦生產必不可少的重要設備。礦用通風機的故障會造成有害氣體增多、瓦斯濃度上漲、井下氧氣不足等嚴重后果，極易造成井下安全事故發生。礦用通風機的監控系統設計至關重要。傳統的礦用通風機監控系統精度低、監控范圍窄、設計過于簡單等問題，已無法滿足日常的生產需求。針對這一現象，提出采用可編程控制器技術進行智能監控系統設計改造，達到提高通風機系統安全可靠性的目標，保證企業安全高效生產[1]。

1 礦用通風機系統概述

礦用通風系統主要由兩部分組成，包括礦用通風機設備本身和通風網絡系統。其中，礦用通風機為通風系統的核心設備，通風網絡是通風系統輸送新鮮空的線路結構。通風機輸送的空氣是由風井口進入礦井內部，然后通過通風網絡將空氣送入井下各場所，最后由回風井將井下空氣排除，最終完成通風的整個過程。

通風系統是井下新鮮空氣供給、有害氣體與粉塵排出的重要設備，通風機主要分為軸流式與離心式兩種。文中以某煤礦礦用通風機系統的軸流式通風機為例進行研究，礦用通風系統的具體結構示意圖如圖1所示。

圖1 礦用通風機結構示意圖

軸流式通風機的主要部件包括葉輪、進風口、機殼、擴散器以及變流器。軸流式通風機具有設備體積小、運行轉速高、設備結構設計緊湊等特點，結合軸流式通風機結構較為復雜，零件易損壞，噪聲大、故障多，且檢修較為困難的現狀，此次通風系統共設計了兩個風通道，由圖1可知，每個通道都由三個風門組成，分別為立式風門、斜風門以及地面風門。斜風門與立式風門采用冗余設計原則，每個通道都設計有各自獨立的風門，地面風門為共用風門，兩通道共用一個。立式風門與斜風門的控制方式為電動控制，立式風門使用的控制電機為11 kW的低壓三相交流電機，斜風門使用的控制電機為40 kW交流電機。

2 通風機監控系統設計

傳統的礦用通風機監控系統運行不穩定，精度低、監控范圍窄，無法滿足日益增加的通風檢測任務需求。通風機監控系統的優化設計是提高通風機系統安全可靠性的重要措施[2-3]。

2.1 監控系統總體設計分析

礦用通風機監控系統主要由五部分組成，包括PLC可編程控制器、信號測取設備、傳感器、上位機與通訊設備以及其他設備，其中PLC可編程控制器為主要核心設備，礦用通風機監控系統組成示意圖如圖2所示。礦用通風機監控系統的設計仍然運用冗余原則，在監控系統中設計兩套設備，當主設備發生故障時，副設備可立馬投入使用，代替主設備運行。通風機由兩臺280 kW的電動機驅動，電動機處設計有三相定子與軸承溫度傳感器，風道處設計有風道閘門，實現風量的有效調節。礦用通風機監控系統主要有控制、通信、傳動與檢測四大功能。控制模塊以西門子S7-300PLC為核心，主要實現邏輯控制、邏輯保護以及參數采集處理；通信模塊主要通過多點接口與PLC、上位機進行通訊，物理層為RS-485；傳動模塊使用280 kW電動機進行風機葉輪拖動；檢測模塊主要是各類傳感器以及各類儀表等[4]。

圖2 礦用通風機監控系統組成示意圖

2.2 PLC可編程控制器選型設計

PLC可編程控制器是通風機監控系統的主要組成部件，其主要功能是對實時采集的數據進行處理分析并依據分析結果進行指令發送[5-6]。PLC可編程控制器主要由中央處理單元(CPU)、電源模塊(PS)、信號模塊(SM)、功能模塊(FM)、通信處理器(CP)以及接口模塊(IM)六部分組成。PLC可編程控制器的選型原則為：①I/O點數在設計時應比所需數量更多。根據設計所需的PLC確定點數，同時應超出所需點數10%以上；②PLC存儲器的容量選取應比系統所用程序大小更大，以10～15倍的I/O點數與100倍的模擬量I/O點數的總和為容量基礎，并留有25%的余量即可；③PLC可編程控制器應選擇具有控制功能、運算功能以及通信功能的設備。

依據上述原則，西門子的S7-300較為符合要求。該控制器具有指令處理快、界面功能好、口令可保護的特點，符合設計選型要求，其具體結構示意圖如圖3所示。在PLC可編程控制器的日常使用中，常受到電源引入干擾、I/O信號線引入干擾以及接地線引入的干擾。其中，電源引入干擾文中采用引入雙屏蔽隔離變壓器、低通濾波器以及專用電源的方法進行抗干擾；I/O信號線引入干擾采用合理布線的方法，將動力線、信號線以及控制線分開布設，無法分開布設的線路使用屏蔽線或雙絞線，高頻線路選用光纖電纜；接地干擾使用的方法為PLC與其他設備分開接地，同時，系統內的接地額定電阻不應大于100 Ω，電纜額定截面積應大于2 mm，PLC與接地點距離應小于50 m。

圖3 S7-300PLC結構示意圖

2.3 檢測模塊設計選型

檢測模塊的設計選型主要包括振動檢測、溫度檢測、壓力檢測、風量檢測、電氣檢測以及風機啟停檢測六部分[7-9]。其中，振動檢測主要是對通風機轉子產生不平衡、不對中以及部件摩擦現象時軸承的振動進行檢測。軸承是通風機系統的主要部件，通常情況下軸承的運行情況是無法檢測的，故文中主要采用檢測軸承座的運行狀態進行軸承運行狀態的推導。選用湯姆斯公司的TMS-HZD一體化振動變送器，在軸承座前后按水平與垂直方向各安裝一個；溫度檢測選用北京格樂普公司的PT100熱電偶溫度變送器，主要對電機定子與風機軸承進行溫度檢測；風量檢測主要采用分體式組合動壓管法進行測量，其靜壓與平均壓差的計算公式為：

(1)

(2)

其中，ps為靜壓，Pa；psj為測量點靜壓，Pa；n為截面測點數；Δp為平均壓差，Pa；Δpj為截面測點壓差，Pa。

壓力檢測選用北京昆侖海岸公司的JYB-DW-A型壓力變送器，安裝位置為風機入口處，對風道的全壓與靜壓進行測量；電氣檢測選用上海南瑞公司的RCS-9611A型綜保裝置與CP340通訊模塊進行測量，測量電機電流與電壓、電網電流與功率等參數；風機啟停檢測選用SG4KGT9型啟停傳感器，主要通過檢測電纜周圍的磁場進行啟停判斷。

3 系統測試

通風機監控系統進行應用測試時，首先打開全部風窗，對通風機系統進行空載測試；其次風機正常運行后，通過上位機分別對通風機系統進行手動與自動的通風機切換與啟停測試。手動狀態下的通風機在1 min完成啟停與轉換任務，自動狀態下通風機需在2 min內完成風機的切換與啟停。經測試研究，風機空載測試以及手動、自動下的啟停與切換測試運行正常，其通風機監控系統圖如圖4所示；最后需進行整體系統的試運行測試。經48 h不間斷運行測試后發現，通風機系統各部件運行正常，通風機監控系統參數界面如表1所列。與傳統的通風機監控系統比較，結構更為簡單，監控范圍更廣。對通風機實際運行參數測量發現，通風機監控系統參數與實際參數吻合，準確率為100%，符合相關設計要求[10-11]。

圖4 通風機監控系統圖

表1 通風機監控系統參數界面

4 結 語

礦用通風機是煤炭企業安全高效生產的重要設備，針對傳統的通風機監控系統監控精度較低、監控范圍窄、設計過于簡單的現狀，提出運用可編程控制器技術對監控系統進行智能改造，通過設計應用分析達到以下目標：①采用西門子S7-300可編程控制器與各類性能優良的傳感器與變送器，可實現通風機系統各設備的實時監測，優化礦用通風機監控系統性能；②運用上述方法進行礦用通風機監控系統設計并應用于實際后發現，該系統運行平穩可靠，參數監測精準，提高了通風機系統自動化程度，優化了系統性能。