主通風機工況監測與報警系統研究

馬芳芳

（西山煤電西曲礦機電科外維隊，山西 古交 030200）

為了掌握礦井主通風機的工作狀態，實現遠程控制，國內許多科研院所和大學研究和生產了相應的監測裝置和配套軟件，提高了礦井主通風機的安全性和可靠性，取得了很大技術進步[1-2]。目前礦井主通風機工況監測和報警系統存在監測方法單一、管理不夠規范等問題[3-5]。基于上述問題，本文研究了基于ARM 控制器的主通風機工況監測與報警系統，能解決上述問題。

1 監測系統

1.1 系統結構

礦井主通風機監測系統結構如圖1 所示，由監控對象、信號采集、信號轉換和人機界面等部分組成。監測對象包括主通風機、開關柜、風門和變頻器。信號采集部分主要包括各類傳感器、測量回路和控制回路等，根據系統要求，將各個監控對象的工作狀態和工作參數轉換為電信號，通過信號轉換電路或ARM 控制器發送給人機界面部分。

圖1 監控系統的組成結構

1.2 系統原理

（1）通風機的監控參數。包括電機繞組溫度、風壓、電機軸承振動，溫度傳感器輸出的電信號通過溫度測量模塊直接發送至人機界面，不經過ARM 控制器處理。壓力傳感器、振動變送器和變頻器的頻率信號都是模擬信號，通過模擬量輸入模塊輸入給ARM 控制器。

（2）開關柜的測量回路。包括開關的電流和電壓信號，通過電量測量模塊發送給人機界面。開關柜的開關量信號、風門的限位開關和變頻器的開關量信號通過開關量輸入模塊輸入給ARM 控制器。ARM 控制器的開關量輸出模塊輸出對開關柜、風門和變頻器的控制信號，這些控制信號通過中間繼電器進行功率放大，從而驅動控制回路或者電機進行動作，使被控對象發生相應的狀態變化。變頻器通過ARM 控制器的模擬量輸出模塊輸出的頻率指令改變其輸出頻率。

（3）人機界面。主要包括上位機、調度中心客戶端和打印機等。上位機通過232/485 接口和以太網接口與測量模塊和ARM 控制器通信，接受各類信號和數據，并應用工業組態技術，將上述所有信號和數據進行可視化展示，工作人員可通過直觀的界面掌握現場設備的實時狀態，做出相應的控制。

2 監測電路設計

2.1 風壓風量監測電路

在主通風機的控制中，風量和風壓與風機的調節直接相關，因此這兩個參數的采集十分重要。礦井的環境具有濕度大、灰塵多的特點，對風量和風壓的測量帶來了較大難度。風量和風壓測量的原理如圖2 所示，由于集流器的存在，1-1 截面和2-2 截面的氣壓不同，通過在風道的兩個截面安裝安全閥取得這兩個截面的氣流壓力，應用壓差變送器采集靜壓和全壓，然后通過機械流體力學原理計算出風量，計算所得的風量信號轉化為電信號后，經過A/D 轉換，輸送給ARM 控制器的數字量輸入模塊。

圖2 風量和風壓測量原理

2.2 振動信號監測電路

通過設計振動信號監測電路，將電機軸承的振動信號采集下來，并且經過控制器的計算，在時域和頻域等方面進行分析，如果出現故障異常信號，則對主通風機電機發出停機指令，避免電機燒毀。SLM 四通道振動變送器在故障監測領域應用廣泛，這款傳感器將電機軸承的位移、速度和加速度等物理量采集下來，在內部轉換為4～20 mA 的標準電信號，然后經過電流電壓變換電路處理，作為ARM 控制器的模擬量輸入信號。ARM 控制器內部可以對振動信號進行數字濾波，以期獲得更加真實的振動規律，控制器內的程序設定了時域和頻域相關關鍵參數的報警值，如果電機振動信號有參數超過報警值，則發出電機振動異常信號。

2.3 瓦斯濃度監測電路

瓦斯濃度監測電路主要采用紅外氣體傳感器MH-440V/D，這款傳感器采用非色散紅外原理對周圍瓦斯進行探測，不依賴氧氣環境，具有較高的選擇性，可應用于可燃性和爆炸性氣體的場合。這款傳感器工作電壓為5 V，輸出信號范圍為0.4～2 V，工作模式可以選擇數字式或者模擬式，采用數字方式時VCC 端接5 V 工作電源，GND 接電源地，RXD 接控制器的TXD，TXD 接控制器的RXD，控制器可以通過RART 接口直接讀出瓦斯濃度值，無需計算。采用模擬方式時VCC 端接5 V 工作電源，GND 接電源地，Vout 端接控制器的輸入端，傳感器經過自檢和預熱后從Vout 端輸出表征瓦斯濃度的電壓值，0.4 V 電壓表示瓦斯濃度為0，2.0 V 表示瓦斯濃度滿量程。

表1 主通風機工況監測與報警系統應用前后對比

3 系統應用和效果

3.1 對傳感器信號濾波

被監測設備大部分時間都處在正常運行的狀態，主通風機工況監測和報警裝置能正確反映被監測設備的信號和數據。在被監測設備出現故障時，系統可能發出報警信號和停機指令，直接影響礦井的安全生產。因此，對于故障判別和停機指令的控制回路準確度要求很高。主通風機在正常運行時，各類傳感器都處在振動、噪音和氣流的惡劣環境中，傳感器的輸出回路中會產生干擾電流，因此在信號傳送給控制器之前要進行充分的濾波，提高數據分析的準確性。

3.2 采用故障預判邏輯

在控制器程序內部，對收集到的主通風機狀態和數據進行故障判別時，為了提高故障判斷的準確性，將故障判斷模塊分為兩部分。第一部分是狀態和數據符合預設故障類型的情況。在這種情況下控制器收集到的數據符合預設故障類型，直接做出相應故障的判定，可以直接發出信號和停機指令，這種情況的可靠性較高。第二部分是狀態和數據不符合預設故障類型的情況。這種情況進入故障預判斷模式，可以應用與預設故障類型相似的邏輯進行預判，并結合程序設計的專家系統進行故障判斷。這種情況的可靠性較低，因此可以設定發出報警信號而不停機，等待工作人員確認后處理，可以提高系統的可靠性，避免因誤判斷而導致的頻繁故障停機。

3.3 應用效果分析

西曲礦在本系統應用之前，主通風機、開關柜、風門和變頻器之間相互獨立，只有各自的保護裝置。主通風機裝有電機保護控制器，開關柜裝有保護測控一體的裝置，風門無保護裝置，變頻器裝有獨立的保護裝置。上述系統平均每月故障發生5 次，且整個系統在故障發生后才能進行檢修，影響生產效率。西曲礦應用礦井主通風機工況監測與報警系統后，所有設備的狀態集中顯示與控制，降低了故障發生頻率，平均3 個月才發生一次停機故障，且可以準確識別各類故障，準確率達到95%以上。

4 結語

通過分析礦井主通風機工況監測與報警系統的結構，并給出了風量、風壓、振動和瓦斯等參數的監測電路設計思路，對系統在應用中的問題和應用效果進行了總結。礦井主通風機工況監測與報警系統提高了主通風機的可靠性和檢修效率。