1.引言

礦井通風(fēng)機(jī)是向井下輸送新鮮空氣，排除礦井有害氣體，維持正常的生產(chǎn)條件，保障安全作業(yè)和人員身體健康的固定設(shè)備，其運(yùn)行狀況的好壞，直接關(guān)系到人身安全和生產(chǎn)能否正常運(yùn)行，在保證礦井正常安全生產(chǎn)方面起著重要的作用。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)自動(dòng)化控制程度的要求不斷提高，控制過程要求更加安全可靠，功能更加齊全，需要對(duì)生產(chǎn)過程信息集中監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)存取、自動(dòng)分析，以便于實(shí)施最佳運(yùn)行方案。在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)的強(qiáng)大支持下，企業(yè)不斷提高自動(dòng)化水平，提高工業(yè)生產(chǎn)效率也是企業(yè)發(fā)展的必需。所以，利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)的智能化管理將為設(shè)備運(yùn)行帶來眾多的優(yōu)點(diǎn)，為企業(yè)發(fā)展產(chǎn)生重要的意義。

2.監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)由PLC監(jiān)控柜、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控主機(jī)（含監(jiān)測(cè)軟件）、現(xiàn)場(chǎng)傳感器及通訊網(wǎng)絡(luò)及功能接口等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 PLC監(jiān)控柜

控制核心PLC采用西門子S7-300系列可編程控制器，主要包括CPU模塊、電源模塊、模擬量輸入輸出模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、以太網(wǎng)通訊模塊等，實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

2.1.1 設(shè)備控制方式包括：自動(dòng)-手動(dòng)-檢修三種控制模式。

①自動(dòng)控制方式：全過程PLC參與控制，由PLC按照預(yù)置程序控制，遵循必須的閉鎖關(guān)系，防止各種誤操作的發(fā)生。此方式受操作員在操作站控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)和附屬設(shè)備的“一鍵式” 自動(dòng)啟、停風(fēng)機(jī)、“一鍵式”自動(dòng)倒機(jī)等功能，可代替人工分步倒機(jī)操作，大大縮短風(fēng)機(jī)倒計(jì)時(shí)間。

②手動(dòng)控制方式：全過程PLC參與控制，遵循必須的閉鎖關(guān)系，防止各種誤操作的發(fā)生。此方式操作員在現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程操作站按順序起、停每個(gè)相關(guān)設(shè)備。

③檢修控制方式：操作員通過就地控制柜或控制箱實(shí)現(xiàn)設(shè)備操作，選擇就地控制柜或控制箱的“遠(yuǎn)方-就地”為就地方式，操作站處于不可操作狀態(tài)，此方式用于風(fēng)機(jī)設(shè)備檢修或調(diào)試時(shí)的控制操作。

2.1.2 控制系統(tǒng)與變頻器配合，手動(dòng)或自動(dòng)控制變頻器的輸出頻率，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的調(diào)節(jié)功能。

2.1.3 采集的模擬量參數(shù)包括：：風(fēng)機(jī)的全壓、靜壓、動(dòng)壓、風(fēng)量、風(fēng)速、效率、瓦斯?jié)舛?、一二?jí)電機(jī)軸承溫度、兩級(jí)電機(jī)繞組溫度（三相）、風(fēng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)（X、Y方向）、兩級(jí)電機(jī)運(yùn)行電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、累計(jì)電量等。設(shè)備狀態(tài)信號(hào)包括：風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)（正反風(fēng)），變頻器運(yùn)行狀態(tài)、風(fēng)門位置狀態(tài)等。

2.1.4 系統(tǒng)對(duì)溫度超限、風(fēng)機(jī)振動(dòng)超限、變頻故重障等重要運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)進(jìn)行快速分析處理，發(fā)現(xiàn)異常情況首先及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警提示，并根據(jù)工藝要求實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)。

2.1.5 PLC系統(tǒng)配置以太網(wǎng)通訊模塊，與2臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通訊。

2.2 監(jiān)控主機(jī)

監(jiān)控主機(jī)采用工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)上，滿足在惡劣的環(huán)境中長期穩(wěn)定可靠的不間斷運(yùn)行。監(jiān)控主機(jī)設(shè)置兩臺(tái)雙機(jī)冗余設(shè)計(jì)，每臺(tái)上位機(jī)可同時(shí)監(jiān)控兩臺(tái)風(fēng)機(jī)，正常時(shí)一用一備，監(jiān)控主機(jī)配有監(jiān)控臺(tái)和打印機(jī)， 監(jiān)控臺(tái)安裝在風(fēng)機(jī)房值班室內(nèi)。

2.2.1 數(shù)據(jù)監(jiān)控主機(jī)基本配置：

研華IPC-610;CPU主頻：酷睿雙核2.4G;內(nèi)存：2G;硬盤容量：320G;顯示器：22″液晶顯示器;光驅(qū)：DVD。

2.2.2 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控軟件采用工業(yè)控制組態(tài)軟件設(shè)計(jì)開發(fā)，人機(jī)界面友好，操作簡單，實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行工況參數(shù)，動(dòng)態(tài)顯示工藝流程圖形和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài);

2.2.3 實(shí)時(shí)報(bào)警和歷史報(bào)警信息查詢功能：當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，自動(dòng)記錄報(bào)警所發(fā)生時(shí)刻和確認(rèn)、消失的具體時(shí)間，通過歷史報(bào)警窗口可進(jìn)行查閱。

2.2.4 對(duì)所有模擬量監(jiān)測(cè)參數(shù)形成實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線和歷史趨勢(shì)曲線功能，系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)定時(shí)保存到歷史數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)保存時(shí)間為一年，可通過歷史趨勢(shì)功能隨時(shí)提取和查閱歷史數(shù)據(jù)庫任一時(shí)刻記錄點(diǎn)的數(shù)據(jù)和運(yùn)行變化趨勢(shì)。

2.2.5 系統(tǒng)記錄各參數(shù)整點(diǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)生成生產(chǎn)報(bào)表，代替人工抄錄，為用戶提供真實(shí)有效的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

2.2.6 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存功能：用戶可利用“U”盤通過計(jì)算機(jī)USB口將數(shù)據(jù)報(bào)表轉(zhuǎn)存拷貝，并可選擇存儲(chǔ)路徑、報(bào)表時(shí)間范圍、數(shù)據(jù)記錄間隔等功能，數(shù)據(jù)文件為excel格式文件，非常方便用戶分析整理。

2.2.7 根據(jù)風(fēng)壓、風(fēng)量等參數(shù)，自動(dòng)繪制實(shí)時(shí)風(fēng)阻運(yùn)行曲線和相應(yīng)運(yùn)行角度和轉(zhuǎn)速的風(fēng)機(jī)性能曲線，顯示風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)。

2.2.8 打印功能：可將報(bào)警信息記錄和報(bào)表自動(dòng)或手動(dòng)打印輸出。

2.2.9 系統(tǒng)通過礦方提供的以太網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控功能，設(shè)備控制設(shè)有安全操作權(quán)限，具有登陸權(quán)限者方可進(jìn)行操作;

2.2.10 系統(tǒng)提供可靠的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)接口包括OPC、TCP/IP、WebService等多種通訊方式，實(shí)現(xiàn)與礦調(diào)度中心或機(jī)電設(shè)備管理網(wǎng)等上一級(jí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，傳送全部監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提高監(jiān)控效率，適應(yīng)全礦乃至全局的信息化管理的要求。

2.2.11 具有在線信息系統(tǒng)功能：可以在線察看系統(tǒng)操作維護(hù)使用說明書，也可以錄入各種管理信息，如：安全操作規(guī)程、管理制度、設(shè)備檔案資料等。

3.現(xiàn)場(chǎng)傳感器

現(xiàn)場(chǎng)傳感器包括溫度傳感器、負(fù)壓傳感器、振動(dòng)傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳌⒕C合電參數(shù)采集模塊等，來完成設(shè)備基本信號(hào)的采集，通過通訊接口或信號(hào)變送調(diào)理轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送至PLC進(jìn)行進(jìn)一步處理，以下是各傳感器的數(shù)量、參數(shù)以及測(cè)量方法等。

3.1 溫度信號(hào)的測(cè)量

傳感器采用分度號(hào)PT100鉑電阻溫度傳感器（如圖2），鉑電阻溫度傳感器具有精度高，穩(wěn)定性好，應(yīng)用溫度范圍廣（-200℃～400℃）的特點(diǎn)，溫度傳感器接線采用三線制連接，因?yàn)闇y(cè)量鉑電阻的電路為不平衡電橋，鉑電阻作為電橋的一個(gè)橋臂電阻，將導(dǎo)線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到鉑電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，當(dāng)橋路平衡時(shí)，導(dǎo)線電阻的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果沒有任何影響，這樣就消除了導(dǎo)線線路電阻帶來的測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度。

圖2 溫度傳感器

3.2 風(fēng)壓、風(fēng)量的測(cè)量

負(fù)壓傳感器用來測(cè)量巷道靜壓和測(cè)量計(jì)算風(fēng)量使用（風(fēng)量測(cè)量計(jì)算原理見3.2.2節(jié)），巷道靜壓測(cè)點(diǎn)壓力源取自“U”計(jì)處，風(fēng)機(jī)入口靜壓測(cè)點(diǎn)需要在風(fēng)機(jī)入口機(jī)體上加工布置一個(gè)環(huán)形測(cè)壓裝置，取4個(gè)點(diǎn)的平均靜壓，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3、圖4所示。

表1 每臺(tái)風(fēng)機(jī)的溫度測(cè)點(diǎn)

測(cè)點(diǎn)名稱 數(shù)量 安裝和接線 說明

一級(jí)電機(jī)繞組溫度 3 電機(jī)已預(yù)埋溫度傳感器 三相繞組溫度

一級(jí)電機(jī)軸伸端軸承溫度 1

一級(jí)電機(jī)軸非伸端軸承溫度 1

二級(jí)電機(jī)繞組溫度 3 三相繞組溫度

二級(jí)電機(jī)軸伸端軸承溫度 1

二級(jí)電機(jī)軸非伸端軸承溫度 1

圖3 環(huán)形測(cè)壓示意圖 ? ? ? 圖4 負(fù)壓變送器

3.2.1 負(fù)壓變送器主要技術(shù)參數(shù)

測(cè)量范圍：0～-10Kpa;輸出：4-20mADC二線制;基本誤差：0.5%;工作溫度：-20℃-+85℃;長期穩(wěn)定性：<0.2%F.S/℃;過載極限：最大額定壓力的1.5倍。

3.2.2 風(fēng)量的測(cè)量方法

根據(jù)空氣流動(dòng)的動(dòng)力學(xué)理論，利用兩端面靜壓變化測(cè)定法計(jì)算風(fēng)量，這種方法具有測(cè)定方法簡單、測(cè)定數(shù)據(jù)穩(wěn)定、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，并且適合進(jìn)行長期在線風(fēng)量監(jiān)測(cè)。分別在巷道和風(fēng)機(jī)入口處之間取S1、S2兩處不同斷面的靜壓測(cè)點(diǎn)，由2只負(fù)壓傳感器采集送入PLC通道，按照計(jì)算公式計(jì)算風(fēng)量，并且進(jìn)一步計(jì)算風(fēng)機(jī)入口的風(fēng)速、風(fēng)機(jī)裝置綜合效率等相關(guān)參數(shù)，如圖5。

圖5 風(fēng)量測(cè)量示意圖

3.3 風(fēng)機(jī)振動(dòng)的測(cè)量

振動(dòng)傳感器用于測(cè)量風(fēng)機(jī)的振幅或振速信號(hào)，是監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)異常故障的重要手段之一，振動(dòng)傳感器一般安裝在風(fēng)機(jī)內(nèi)軸承座體上（或風(fēng)機(jī)機(jī)體上），每臺(tái)風(fēng)機(jī)分別裝有垂直、水平方向分布的振動(dòng)傳感器， 如圖6、圖7所示。振動(dòng)傳感器有專用配套變送器，將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入PLC模擬量采集通道。

圖6 振動(dòng)傳感器 ? ? ? ? ? ? 圖7 振動(dòng)變送器

圖8 EDA9033D電參數(shù)模塊 ? ? ? ? ? ?圖9 接線原理

圖10 礦用甲烷和一氧化碳傳感器 ? ? ? ?圖11 ?礦用隔爆兼本安電源

表2 主要監(jiān)測(cè)參數(shù)一覽表（每臺(tái)風(fēng)機(jī)）

序號(hào) 參數(shù)名稱 量程 單位 測(cè)點(diǎn)

數(shù)量 參數(shù)報(bào)警 說明

上限 下限

1 風(fēng)機(jī)靜壓 0～-10 KPa 1 - - 傳感器測(cè)量

2 風(fēng)機(jī)全壓 0～-10 KPa 1 - - 計(jì)算

3 風(fēng)機(jī)風(fēng)量 m3/s 1 - - 取兩段不同斷面靜壓差計(jì)算

4 風(fēng)機(jī)風(fēng)速 m/s 1 - - 由風(fēng)量和此點(diǎn)斷面面積計(jì)算

5 風(fēng)機(jī)裝置效率 % 1 - - 由風(fēng)壓、風(fēng)量、電機(jī)輸入功率等參數(shù)量計(jì)算

6 瓦斯?jié)舛?0～4 % 1 ★ 傳感器測(cè)量

7 一級(jí)電機(jī)繞組溫度 -20～200 ℃ 3 ★ - A、B、C三相繞組，

8 一級(jí)電機(jī)前軸承溫度 -20～200 ℃ 1 ★ -

9 一級(jí)電機(jī)后軸承溫度 -20～200 ℃ 1 ★

10 二級(jí)電機(jī)繞組溫度 -20～200 ℃ 3 ★ - A、B、C三相繞組，

11 二級(jí)電機(jī)前軸承溫度 -20～200 ℃ 1 ★ -

12 二級(jí)電機(jī)后軸承溫度 -20～200 ℃ 1 ★ -

13 風(fēng)機(jī)振動(dòng)信號(hào) 0～500 μm 2 ★ - X軸向Y軸向

14 電機(jī)定子電壓 0～500 V 2 ★ ★ 包括一、二級(jí)電機(jī)

15 電機(jī)定子電流 A 2 ★ -

16 有功功率 KW 2 - -

17 無功功率 KVar 2 - -

18 功率因數(shù) 2 - -

19 累計(jì)電量 KWh 2 - -

20 運(yùn)行頻率 HZ 2 - -

21 變頻器運(yùn)行信號(hào) 無源接點(diǎn)信號(hào)

22 風(fēng)機(jī)運(yùn)行信號(hào) 無源接點(diǎn)信號(hào)，取自分機(jī)啟動(dòng)柜

23 風(fēng)門位置信號(hào) 無源接點(diǎn)信號(hào)，取自風(fēng)門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

振動(dòng)傳感器主要技術(shù)參數(shù)：振動(dòng)傳感器型號(hào)：CD-21C（S）;測(cè)量范圍：0～500μm;靈敏度：200mv/cm/s;橫向靈敏度比：<10%;工作環(huán)境：溫度：-29℃～80℃，相對(duì)濕度：95%不冷凝;輸出電阻：≤500Ω;最大承受沖擊：500m/s2。

3.4 風(fēng)機(jī)運(yùn)行電參數(shù)的采集

風(fēng)機(jī)運(yùn)行的電參數(shù)采集采用綜合電參數(shù)模塊實(shí)現(xiàn)，綜合電參數(shù)模塊是一款性能優(yōu)異，功能齊全的智能型電參數(shù)測(cè)量與采集模塊，適用于工頻三相三線制或三相四線制電路中的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等信號(hào)的測(cè)量，采用RS485總線通訊方式，標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU通訊規(guī)約。

綜合電參數(shù)模塊分別安裝在一、二級(jí)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)柜和進(jìn)線柜內(nèi)，接入三相電壓（二次電壓）、A、C相電流，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊與PLC建立通訊連接，傳送各種參數(shù)，使系統(tǒng)集供電監(jiān)測(cè)功能于一體。如圖8、圖9所示。

綜合電參數(shù)模塊主要技術(shù)參數(shù)：輸入信號(hào)：三相交流電壓、電流，輸入頻率：45～75Hz;電壓量程：500V，電流量程：5A;通訊輸出：RS-485，標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU通訊規(guī)約;測(cè)量精度：電流、電壓：0.2級(jí);其它電量：0.5級(jí);供電電源：DC+10～30V;功耗：<0.5W;工作環(huán)境：工作溫度：-20℃～+70℃，相對(duì)濕度：5%～95%不結(jié)露。

3.5 瓦斯?jié)舛葌鞲衅?/p>

瓦斯?jié)舛葌鞲衅鬟x用礦用本安兼隔爆型產(chǎn)品，配有專用礦用本安電源，傳感器本身具有LED數(shù)字顯示功能，聲光報(bào)警功能和采用遙控器調(diào)校的功能，傳感器輸出為頻率信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理變換為4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入PLC模擬量數(shù)據(jù)采集通道。如圖10、圖11所示。

4.主要監(jiān)測(cè)參數(shù)一覽表（見表2）

5.監(jiān)控系統(tǒng)功能

a.系統(tǒng)可快速、準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)行工況參數(shù)，包括溫度、壓力、流量、振動(dòng)、電壓、電流、功率、電量等重要參數(shù)，對(duì)運(yùn)行監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行快速分析處理，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)報(bào)警提示，按相關(guān)預(yù)案使隱患得到及時(shí)有效處理，防止造成重大安全事故。

b.由可編程控制器判斷相關(guān)的聯(lián)鎖條件實(shí)現(xiàn)設(shè)備的聯(lián)鎖控制，在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上操作控制時(shí)，具有相關(guān)的操作提示和操作權(quán)限，防止發(fā)生誤操作。

c.應(yīng)用組態(tài)軟件編譯，人機(jī)界面友好，并以數(shù)字顯示、模擬儀表、趨勢(shì)曲線、報(bào)表等多種形式顯示設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，并自動(dòng)存入數(shù)據(jù)庫長期保存，可以隨時(shí)查閱，保證了數(shù)據(jù)的真實(shí)性、有效性，降低了人為因素造成的影響，有利于幫助制定完善的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方案，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，防患于未然。

d.動(dòng)態(tài)圖形顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，具有觀看方便、直觀明了的特點(diǎn)，例如：旋轉(zhuǎn)風(fēng)葉、風(fēng)流方向、開關(guān)分合狀態(tài)、風(fēng)門所處位置等。

e.系統(tǒng)采用工業(yè)級(jí)的計(jì)算機(jī)和模塊化智能數(shù)據(jù)采集裝置，滿足在惡劣的環(huán)境中長期穩(wěn)定可靠的不間斷運(yùn)行，并且一套系統(tǒng)可同時(shí)監(jiān)控2臺(tái)風(fēng)機(jī)和其它附屬設(shè)備。

f.監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)（光纖網(wǎng)絡(luò)）將現(xiàn)場(chǎng)與礦局域網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制、數(shù)據(jù)瀏覽等，提高了監(jiān)控效率，適應(yīng)全礦乃至全局的信息化管理的要求。

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[4]胡亞非.差壓風(fēng)量監(jiān)測(cè)取壓元件與穩(wěn)壓元件的設(shè)計(jì)[J].礦山機(jī)械，1996（12）.

[5]王家兵，胡亞非.礦井主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)與通訊系統(tǒng)[J].流體機(jī)械，1998（11）.

作者簡介：李志勇（1978—），男，黑龍江哈爾濱人，學(xué)士，主要從事選煤廠工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工程實(shí)施方面工作。