煤礦通風機監控系統應用研究

焦婉瑩，史佳豪，趙向杰

(西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089)

煤礦開采通常是在井下進行，對通風條件提出了相對較高的要求，良好的通風是確保煤礦生產安全的重要基礎[1]。煤礦開采礦井中通常需要配備通風機系統，利用該系統可以將礦井內部包含的粉塵、有毒、有害氣體及時排出井外。為了保障礦井安全，通風機系統需要連續運轉，對其運行穩定性和可靠性提出了很高的要求[2]。一旦通風機系統出現故障問題沒有及時發現，可能引發煤礦生產安全事故，輕則導致煤礦生產停止，重則引發嚴重人員傷亡事故。統計數據表明，煤礦生產安全事故中，70%以上是由于通風機系統故障問題或者管理不善[3]?；诖耍斜匾獙γ旱V通風機系統設計監控系統，以便實時掌握設備的運行狀態，提升通風機運行的穩定性和可靠性[4]。本文主要以某煤礦中使用的通風機為研究對象，結合實際情況設計了監控系統，并將其成功應用到工程實踐中，取得了很好的效果，值得其他煤礦企業借鑒。

1 整體方案設計

本文主要以某煤礦中使用的主通風機系統為對象設計監控系統，該煤礦主通風機系統的整體布局如圖1所示。從圖1中可以看出，該通風機系統共包含2臺通風機。其中，1臺作為主用通風機，另一臺作為備用通風機，且每臺通風機配備了兩級電機，通過冗余設計能提升通風機系統運行的可靠性。設計監控系統時，要求通風機系統能根據礦井的實際需要輸出對應的風量，在對通風量需求比較小時，只開啟一級電機，對通風量需求較大時，則需要開啟二級電機。當主通風機出現故障問題時，監控系統切換兩臺通風機的運行狀態，立即啟動備用風機工作。

圖1 礦井主通風機系統的整體布局Fig.1 Overall layout of the mine main fan system

結合礦井對通風機系統的實際需求，按照“集中管理，分散控制”的思想，對監控系統整體方案進行了設計。礦用通風機監控系統整體結構如圖2所示。

圖2 煤礦主通風機監控系統的整體方案Fig.2 Block diagram of overall scheme of monitoringsystem of main ventilator of coal mine

由圖2可知，監控系統共可劃分成為3大部分，分別為現場測量部分、基礎控制部分和監控管理部分。其中，現場測量部分主要作用是對礦井中的環境情況以及通風機運行狀態數據進行采集；基礎控制部分的作用是對采集到的數據信息進行分析處理，判斷通風機系統運行狀態的好壞，或者通風量是否滿足礦井的使用需要；監控管理部分的作用是對采集數據和處理結果進行顯示，以便工作人員實時掌握風機和礦井環境的狀態。另外，工作人員還可通過監控管理部分下達控制指令，通過PLC控制器對通風機進行控制?；A控制部分和現場測量部分通過485總線/Modbus協議實現數據信息交互，基礎控制部分和監控管理部分之間通過工業以太網實現數據信息的交互。

2 主要硬件設施的選型

2.1 PLC控制器選型設計

對于監控系統而言，PLC控制器是核心硬件部分，其性能好壞會對整個系統運行的效率和穩定性產生決定性影響。在充分分析不同類型PLC控制器優缺點以及本監控系統實際需要的基礎上，選用的是西門子公司研制的S7-200型控制器。該類型控制器具有接口豐富、體積小、功耗低、運行可靠性高等眾多優勢，在工業領域得到了非常廣泛的應用[5]。S7-200型PLC控制器的基本結構如圖3所示。由圖3可知，PLC控制器由多個單元構成。

圖3 S7-200型PLC控制器的基本結構Fig.3 Basic structure of S7-200 PLC controller

PLC控制器中不同模塊類型的選擇，同樣會影響控制器的運行性能。CPU是控制器的重要模塊，使用的是CPU226 CN型模塊，此模塊具有24個數字量輸入接口和16個數字量輸出接口，還包含2個RS-485通信接口。其中，數字量輸入模塊和輸出模塊的型號分別為EM221 CN DC和EM222 CN DC。選用的工業以太網模塊型號為CP243-1，作用是與上位機通過工業以太網實現數據信息的交互，此模塊需要通過24 V DC電源進行供電。

2.2 關鍵狀態參數監測硬件設施

監控系統主要是利用專業的傳感器對通風機的運行狀態和通風參數進行檢測，檢測的效果會對監控效果產生非常重要的影響。以下對系統中使用的關鍵狀態參數監測硬件設施進行選型設計。

(1)電量參數采集模塊。對于通風機系統而言，供電過程的穩定性對設備的正常運行有非常重要的影響，設備一旦出現斷電問題將無法正常工作。因此,有必要對通風機的電量參數信息進行實時檢測，主要檢測設備運行時的電壓、電流、功率等參數。本系統中選用SMT18N2型模塊對通風機的電力參數進行綜合檢測，此型號模塊具備20路端口，可同時對多種電力參數信息進行檢測。電量采集模塊直接安裝在配電柜中，通過RS485接口進行連接，采集獲得的參數基于Modbus總線協議傳輸到PLC控制器中進行分析處理。電量采集模塊的接線原理如圖4所示。

圖4 電量采集模塊的接線原理Fig.4 Wiring schematic diagram of power acquisition module

(2)振動傳感器。設備運行時不可避免地都會發生振動現象，振動幅度如果相對較小，則影響不大。但如果振動幅度過大，必然會影響設備的運行穩定性，所以有必要對通風機設備工作時的振動狀態進行檢測[6]。使用的是XZD-YB型振動傳感器，可以同時對設備在X方向和Y方向上的振動情況進行檢測。檢測得到的是4～20 mA的模擬量信號，需要利用A/D轉換器將模擬量信號轉變成為數字量信號后，再通過Modbus總線協議傳輸到PLC控制器中。

(3)負壓傳感器。通風機系統正常工作時有3個重要的概念，分別為靜壓、動壓和全壓。所謂靜壓指的是由于空氣分子在發生熱運動時對器壁造成的沖擊產生的壓力，而動壓則是指空氣在流動的過程中對器壁造成的壓力，全壓則是靜壓和動壓的總和[7]。礦井負壓大小是反映通風機系統運行性能的重要指標，本研究中選用GPD0.1F型負壓傳感器對礦井負壓進行實時檢測，安裝在風巷上。該傳感器檢測得到的信號同樣為4～20 mA的模擬量信號，需要利用A/D轉換器轉換后才能輸入到PLC控制器中。

(4)瓦斯濃度傳感器。通風機系統最重要的作用是向井內排入新鮮空氣，將井內的瓦斯及時排出，控制礦井內部的瓦斯濃度。瓦斯濃度大小對礦井安全生產有非常重要的作用。系統中選用KGJ15型瓦斯濃度傳感器，屬于本質安全型設備，在復雜的礦井環境中可以確保使用過程的安全性。瓦斯濃度傳感器輸出的是4～20 mA的模擬量信號，需要經過處理轉變成為數字量信號后輸入的PLC控制器中。

(5)風速傳感器。通風機系統運行時的功率越大，產生的風量和風速越大，但是過大的風量和風速會造成能源的浪費。系統實際運行時，應該可以結合礦井的實際需要對風速和風量進行調整，對礦井內部風速和風量進行實時檢測是調整的重要依據。系統中使用GFW型風速傳感器對風速進行檢測。該傳感器屬于智能型設備，可以實時顯示測量結果，也可以通過數據接口將結果傳輸至其他硬件設施進行分析。一般而言，風量和風速之間存在一定的關系，檢測得到風速以后，可以根據理論公式計算得到風量大小。

3 軟件程序設計

硬件部分是實現通風機監控系統功能的物質基礎，而軟件程序則是實現各硬件功能的靈魂，只有在軟件程序的驅動作用下，各硬件設施才能夠發揮應有的作用[8]。為了提升軟件程序編寫的便捷性和后續維護的方便性，監控系統軟件部分基于模塊思想進行設計。整個軟件程序包含1個主程序和若干個子程序，主程序在運行過程中，根據需要隨時調取其他的子程序實現局部功能。以下主要對主程序和基于PID控制的風量調節子程序進行詳細介紹。

3.1 系統的主程序設計

煤礦通風機監控系統主程序工作流程如圖5所示。由圖5可知，監控系統開始運行后，對所有的硬件設施進行初始化處理，完成該工作后決定是否啟動1號通風機或者2號通風機。風機啟動后對風門進行控制，然后根據煤礦生產實際需要判斷是通風機是采用單級運行模式還是雙級運行模式。若采用單級模式，則啟動1號變頻器和1號電機，若采用雙級運行模式，則需要同時啟動2臺變頻器和2臺電機。變頻器根據系統設定的頻率運行，對通風機的風量進行調節。整個運行過程中，各類傳感器對設備的運行狀態和通風參量進行檢測，并反饋到PLC控制器中進行分析處理，實現通風設備的高效運行。通風機系統運行時如果主要通風機設備出現故障問題，監控系統會立即切換到備用通風機工作，實現通風機系統的連續、穩定、可靠工作，為煤礦生產安全奠定堅實的基礎。

圖5 監控系統主程序工作流程Fig.5 Work flow chart of main program of the monitoring system

3.2 風量調節子程序

研究中基于PID技術對通風機的風量進行調節控制，PID控制技術屬于閉環控制，能顯著提升風量調節控制過程的精度。使用的S7-200型PLC控制器內部已經集成了8路PID，在實際應用時可以結合實際情況最多編寫8路PID控制程序，并且建立不同程序之間的聯系[9]。其中一路程序屬于主程序，其他程序屬于子程序，運行時主程序可對其他的子程序進行調用。利用Step-7軟件編寫相關的程序，風量調節PID控制參數程序塊如圖6所示。圖6中，Output屬于輸出端，作用是對外發出控制指令，主要是對各變頻器進行控制，比如控制變頻器的輸出頻率大小，進而對通風機電機的輸出轉速進行控制，最終改變通風機的通風量；PV_I為輸入端，風量傳感器采集得到的風量數據信息會通過該端口輸入到PLC控制器中，并傳輸到風量調節的程序中；Setpoint～屬于風量目標值設定斷口，可以根據礦井的實際運行需要設定對應的目標風量大小。

圖6 風量調節PID控制參數程序塊Fig.6 Air volume adjustment PID controlparameter program block

4 監控系統的應用研究

4.1 監控系統整體運行情況

本文所述煤礦之前沒有設計監控系統，對通風機的運行狀態數據無法實時監控與掌握，在開展通風機系統設備維護保養工作時沒有指導性數據，效果不佳。將設計的通風機監控系統部署到煤礦工程實踐中后，發現系統可以實時對通風機的輸出風量、風壓、風速等數據信息進行檢測，另外通風機設備運行時的振動狀態、溫度等數據也可實時采集?；谝陨蠑祿畔ⅲぷ魅藛T可以實時掌握通風系統運行狀態。根據這些狀態數據，可定性分析判斷設備的健康狀態，及時發現系統運行時潛在的安全隱患?；诒O測數據可以指導設備的維護保養工作，定期對設備開展預防性的檢修，確保設備能長期以健康狀態運行。

4.2 監控系統運行效果分析

(1)風量改善情況。礦井未部署通風機監控系統時，由于無法掌握通風機系統的運行狀態。因此，通風量經常保持在相對較低的水平，總通風量約為5 400 m3/min。在成功部署監控系統后，監控系統配合使用變頻器可以根據礦井的實際需要對通風量進行調節，礦井總通風量增加到了6 000 m3/min。通風量的改變使得礦井各區域的風速有了一定程度的提高。風速提高后礦井環境溫度得到了改善，粉塵濃度也出現了明顯降低，有效改善了礦井的工作環境。部署監控系統前后礦井內部風速和溫度的變化情況如圖7所示。由圖7可知，礦井中不同區域的風速有了很大程度提高，對應的溫度從26 ℃左右降低到了23 ℃左右，使煤礦開采環境更加舒適。

圖7 通風機部署監控系統前后的風速與溫度對比Fig.7 Comparison of air speed and temperature before and after deployment of monitoring system of ventilator

(2)瓦斯控制情況。瓦斯濃度是保障煤礦生產安全的重要指標，根據《煤礦安全規程》中的相關規定，礦井中的瓦斯濃度通常不超過1%[10-14]。在未部署通風機監控系統前，礦井各區域的瓦斯濃度長期處在一個相對較高的水平，非常接近安全標準中的臨界值。如，掘進工作面的瓦斯濃度一直都保持在0.6%～1.0%內，回風巷口和上隅角的瓦斯濃度長時間保持在0.8%～1.2%，開拓工作面的瓦斯濃度長時間保持在0.2%～0.5%。使用監控系統后，由于通風量出現了一定程度的增加，礦井各區域的瓦斯濃度得到了很好的改善[15-18]。采煤工作面、掘進工作面、開拓工作面的瓦斯濃度分別降低到0.3%～0.7%、0.2%～0.6%、0.1%～0.3%。通風機部署監控系統前后的不同區域瓦斯濃度對比情況如圖8所示。由圖8可以看出，使用了監控系統后，礦井各區域的瓦斯濃度均顯著降低，遠遠低于安全規范標準中1%的臨界值，為煤礦生產安全創造了良好的環境條件。

(3)經濟效益分析。本文所述煤礦礦井沒有使用監控系統前，由于通風量相對較小，環境溫度較高，部分區域的瓦斯濃度居高不下，導致工作面經常需要停止作業，撤出工作人員，嚴重制約采煤效率的提升，使得礦井的生產效率遠遠達不到設計標準。根據礦井以往的統計數據表明，每年有超過200h的停機時間是由于通風機系統通風量達不到要求造成的。使用了監控系統以后，由于通過量的提升使得每月因瓦斯濃度超標而停止運行的時間不超過5 h，與前期相比生產效率有了明顯的提升，目前煤礦每月超額完成5%～8%的工作量。另一方面，監控數據可以很好地指導設備的維護保養工作，提升了維護保養的工作質量和效率，為煤礦企業節省了一定的維護保養成本?？傊?，通過使用監控系統可以為煤礦企業創造非常好的經濟效益和安全效益。

圖8 通風機部署監控系統前后的瓦斯濃度對比Fig.8 Comparison of gas concentration before and after deployment of monitoringsystem for ventilator

5 結論

本文主要以煤礦中使用的通風機為研究對象，對其監控系統進行了詳細的設計與研究，所得結論主要如下。

(1)設計的煤礦通風機監控系統共分為3大部分：現場測量、基礎控制和監控管理。不同部分各自發揮作用，共同完成監控系統數據檢測、控制分析與管理等各項功能。

(2)PLC控制器作為監控系統的核心，使用S7-200型PLC。電參量采集模塊、振動傳感器、負壓傳感器、瓦斯濃度傳感器、風速傳感器的型號分別為SMT18N2、XZD-YB、GPD0.1F、KGJ15、GFW，均為本質安全型設備且具有良好的性能。

(3)監控系統軟件程序采用模塊化設計，由一個主程序和多個子程序構成，主程序運行時可調用不同子程序實現不同的功能，完成對應的任務。

(4)將設計的通風機監控系統部署到煤礦通風機工程實踐中，對各項性能進行測試發現良好。與未使用監控系統之前相比較，礦井的瓦斯濃度、粉塵濃度、溫度、風速等都有了明顯的改善，安全效益和經濟效益顯著。