李繼平

(陽泉煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045200)

1 概述

該煤礦公司礦井采取的主要通風(fēng)方式是中央并列式，其中主斜井、副斜井、行人斜井三個(gè)井筒進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)斜井回風(fēng)。礦井通風(fēng)方法是采用機(jī)械抽出式通風(fēng)，回風(fēng)井安設(shè)兩臺FBCDZ-10-No25B防爆對旋式軸流通風(fēng)機(jī)，一臺工作，一臺備用。每臺通風(fēng)機(jī)由兩臺YBF型10極380kV160kW電動機(jī)驅(qū)動。通過改變通風(fēng)機(jī)葉片角度，滿足礦井各種通風(fēng)網(wǎng)路情況下通風(fēng)的需要?；夭晒ぷ髅娌捎肬型通風(fēng)布置。掘進(jìn)工作面采用獨(dú)立局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)，工作面配備兩臺FBDNo6.7/2×30局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行供風(fēng)，一臺工作，一臺備用。井底水倉、主水泵房、主變電所、消防材料庫、等候硐室等均布置在主要進(jìn)風(fēng)風(fēng)流中，利用主通風(fēng)機(jī)全負(fù)壓通風(fēng)。

2 主要運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測

井下通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)行情況，所以通過對風(fēng)機(jī)運(yùn)行量、風(fēng)機(jī)振動情況等參數(shù)進(jìn)行實(shí)到通風(fēng)狀態(tài)的基礎(chǔ)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.1 溫度的監(jiān)測

井下通風(fēng)風(fēng)機(jī)的軸溫升高大多是因風(fēng)機(jī)磨損等內(nèi)部故障所造成的，這是因?yàn)殡姍C(jī)軸兩端帶動風(fēng)機(jī)葉片隨電機(jī)長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)的軸溫便會不斷升高，如果電機(jī)的軸溫超過電機(jī)軸所能承受的溫度時(shí)，電機(jī)便會被燒毀。從一定程度上說若風(fēng)機(jī)溫度達(dá)到一定程度時(shí)，則說明風(fēng)機(jī)內(nèi)部的零部件已經(jīng)在很大程度上處于磨損狀態(tài)，在這種情況下便會嚴(yán)重影響井下的安全生產(chǎn)工作，所以說風(fēng)機(jī)軸承溫度是一個(gè)很重要的監(jiān)測參數(shù)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測電機(jī)軸的溫度變化，使得當(dāng)電機(jī)軸的溫度超過設(shè)定閾值范圍，便停止電機(jī)的運(yùn)行，同時(shí)給予故障預(yù)警，防止電機(jī)被燒毀。

2.2 風(fēng)速、風(fēng)量的監(jiān)測

對風(fēng)速的監(jiān)測主要是通過對風(fēng)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測而進(jìn)行測算，而用來監(jiān)測井下空流動速度的傳感器稱為風(fēng)速傳感器，根據(jù)傳感器對主風(fēng)機(jī)的風(fēng)速測量，利用公式(1)可以求得風(fēng)量，其公式如下：Q=VS.(1)

式中：Q為通過風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，m3/s；S為擴(kuò)散器內(nèi)芯筒的橫截面積，m2；V為風(fēng)速，m/s。

通過準(zhǔn)確測量井下的通風(fēng)風(fēng)速，便可以進(jìn)行風(fēng)速和風(fēng)量的調(diào)整，從而保證井下可靠安全的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，防止事故的發(fā)生。

2.3 風(fēng)機(jī)振動的監(jiān)測

振動是日常生活和工程生產(chǎn)中最常見的物理現(xiàn)象，而在大多數(shù)情況下，振動會使得儀器設(shè)備發(fā)熱磨損，長久以往精密儀器的精度、可靠性以及壽命降低。對于旋轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的振動監(jiān)測，常用的方式為測軸振動和測軸承振動，其中，測定軸承振動主要用于對中低速的旋轉(zhuǎn)體的測量，測定軸的振動主要用于高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)體。結(jié)合井下實(shí)際情況與本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，本系統(tǒng)采用對風(fēng)機(jī)前后級的風(fēng)機(jī)軸承振動進(jìn)行監(jiān)測。

3 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

3.1 硬件總體設(shè)計(jì)

根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)的需求，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)將其通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為上位機(jī)監(jiān)測管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層和現(xiàn)場監(jiān)測層三層結(jié)構(gòu)，通過現(xiàn)場監(jiān)測層安置的各類傳感器監(jiān)測風(fēng)機(jī)與通風(fēng)量信息，將這些信息實(shí)時(shí)傳輸給井下PLC主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，主控制器通過所設(shè)定的邏輯進(jìn)行運(yùn)算并得出通風(fēng)的最佳方案，并將其利用網(wǎng)絡(luò)通信層上傳至地面上位機(jī)監(jiān)測管理層，從而方便地面工作人員對井下通風(fēng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)掌握與監(jiān)測。根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)需求，現(xiàn)場監(jiān)測層主要包括PLC控制器、現(xiàn)場實(shí)時(shí)信號采集單元、監(jiān)測對象，而監(jiān)測對象為巷道通風(fēng)量、風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、PLC控制器運(yùn)行狀態(tài)等。PLC控制器為整個(gè)井下現(xiàn)場層的核心單位，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理與邏輯運(yùn)算，并可以與上位機(jī)實(shí)時(shí)信息交流傳輸。網(wǎng)絡(luò)通信層負(fù)責(zé)連接本系統(tǒng)中上位機(jī)監(jiān)測層與現(xiàn)場監(jiān)測層，考慮到井下潮濕、封閉等復(fù)雜工作環(huán)境，為減小共模干擾，增強(qiáng)通信的可靠性提高傳輸效率，本系統(tǒng)采用RS485進(jìn)行差分傳輸。綜上，通過對通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)圖

3.2 現(xiàn)場主控PLC選型

井下現(xiàn)場影響信號的因素比較多，故對系統(tǒng)自身的信號也會產(chǎn)生一定程度的干擾，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的工控需求，選用的PLC要具有便于維護(hù)、高可靠性、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)作為下位機(jī)。S7-200系列作為由西門子公司生產(chǎn)的小型PLC單位，其成本低、指令功能強(qiáng)大、可靠性較高、功能完善等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在工控生產(chǎn)中。

西門子S7-200系列的PLC有多類型的CPU單位，可以滿足各種應(yīng)用需求?？紤]系統(tǒng)功能的需求，在確定I/O點(diǎn)數(shù)后，仍保留15%～20%的備用裕量，以備后續(xù)進(jìn)一步地優(yōu)化使用，所以本系統(tǒng)共采用14點(diǎn)數(shù)字量輸入、10點(diǎn)的數(shù)字量輸出、14點(diǎn)的模擬量輸入與5點(diǎn)的模擬量輸出來滿足系統(tǒng)功能需求。

4 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用西門子S7-200系列的專用編譯器進(jìn)行編程處理，將監(jiān)測軟件程序分為多個(gè)子程序模塊，模塊化的調(diào)用方便編譯與后續(xù)功能的擴(kuò)展。本系統(tǒng)編譯的主流程如圖2所示，主程序首先對各個(gè)單元進(jìn)行初始化設(shè)置并等待信息采集信號的開始，當(dāng)風(fēng)機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下，不斷監(jiān)測井下通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并將采集的數(shù)據(jù)傳給PLC主控器。根據(jù)采集信號PLC對通風(fēng)量進(jìn)行邏輯與運(yùn)算，給予通風(fēng)量的最優(yōu)化，同時(shí)將其最優(yōu)控制信號輸出至控制方式調(diào)節(jié)子程序中。在風(fēng)機(jī)運(yùn)行監(jiān)測子程序中通過對井下通風(fēng)與風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測，判別控制方式是否合理，通風(fēng)量是否最優(yōu)，風(fēng)機(jī)是否存有故障。預(yù)警子系統(tǒng)，根據(jù)運(yùn)行監(jiān)測子系統(tǒng)中實(shí)時(shí)監(jiān)測的結(jié)果，通過進(jìn)行PLC主控器進(jìn)行運(yùn)算，得出一個(gè)預(yù)警初值提供報(bào)警信號，一方面通知井下操作人員，另一方面上傳至地面監(jiān)測人員，從而使系統(tǒng)能快速恢復(fù)正常。

圖2 主程序流程圖

5 結(jié)論

通過利用西門子S7-200系列PLC作為井下通風(fēng)系統(tǒng)的主控制邏輯處理單元，并對風(fēng)機(jī)的運(yùn)行溫度、振動情況、風(fēng)機(jī)風(fēng)速與風(fēng)量等實(shí)時(shí)監(jiān)測，將二者作為井下現(xiàn)場層的邏輯層。通過井下現(xiàn)場層的實(shí)時(shí)監(jiān)測，利用網(wǎng)絡(luò)通信層將井下數(shù)據(jù)信息傳輸給地面監(jiān)測中心，方便地面的操作，完成整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的監(jiān)測。該系統(tǒng)利用三層結(jié)構(gòu)的模式，并利用PLC作為主控邏輯器優(yōu)化井下通風(fēng)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)通風(fēng)過程全監(jiān)測，極大地提高通風(fēng)安全性與可靠性，具有很大的推廣價(jià)值。