郭亞濤，田新旗

(河南永錦能源有限公司，河南 禹州 461670)

煤礦開采過程中，礦井內(nèi)部會涌現(xiàn)出大量瓦斯以及其他有毒有害氣體，對煤礦開采安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1]。煤礦通風(fēng)機的作用是向礦井內(nèi)部輸入新鮮空氣，同時將礦井內(nèi)的有毒有害氣體排出井外，優(yōu)化礦井工作環(huán)境，使之達到煤礦安全生產(chǎn)規(guī)范要求[2]。通風(fēng)機在煤礦生產(chǎn)過程中的安全性是不言而喻的，一旦通風(fēng)機系統(tǒng)出現(xiàn)故障問題就會威脅礦井生產(chǎn)安全。隨著煤礦開采朝著縱深方向發(fā)展，對通風(fēng)機系統(tǒng)的安全性要求越來越高，通風(fēng)過程中風(fēng)量過大或過小、通風(fēng)量過多或過少都會對礦井安全造成一定的影響，嚴(yán)重時會引發(fā)嚴(yán)重的煤礦生產(chǎn)安全事故[3]?；诖耍斜匾O(shè)計研究煤礦通風(fēng)機在線監(jiān)控系統(tǒng)，對通風(fēng)機系統(tǒng)運行過程狀態(tài)進行實時采集監(jiān)控[4]，以便及時發(fā)現(xiàn)煤礦通風(fēng)機運行過程中存在的安全隱患，并采取措施進行處理，將小隱患扼殺在萌芽階段，避免引發(fā)更大的安全事故。本文結(jié)合煤礦通風(fēng)機實際情況，設(shè)計研究了一種在線監(jiān)控系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到煤礦工程實踐中，取得了很好的效果，值得其他煤礦企業(yè)借鑒。

1 煤礦通風(fēng)機概況

1.1 礦井基本情況

某礦井每年的產(chǎn)煤量達到了220萬t，井田的長度和寬度分別大約為8 km和2 km，整體面積大約為15.62 km2。經(jīng)過實踐探測發(fā)現(xiàn)礦井的相對瓦斯涌出量和絕對瓦斯涌出量分別達到了13 m3/t和46.8 m3/min，對比《煤礦安全規(guī)程》可知該礦井屬于高瓦斯礦井。目前礦井總共有2個采區(qū)，分別在東部區(qū)域和西部區(qū)域，2個采區(qū)分別設(shè)置有主通風(fēng)機。本文主要以東部區(qū)域的主通風(fēng)機為研究對象。

1.2 主通風(fēng)機概述

為了確保煤礦開采過程的安全，主通風(fēng)機系統(tǒng)使用了2臺通風(fēng)機(1用1備)。2臺通風(fēng)機的型號均為G4-73-11.25D，屬于離心式通風(fēng)機，額定電壓為1 140 V，功率為315 kW。正常運行時，通風(fēng)機的旋轉(zhuǎn)速度可以達到730 r/min，提供的風(fēng)量為90m3/s，全壓為1 200～4 200 Pa。

2 在線監(jiān)控系統(tǒng)整體方案設(shè)計

2.1 方案設(shè)計

在線監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用是利用檢測裝置對煤礦通風(fēng)機運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并基于通信系統(tǒng)傳輸?shù)缴衔粰C中，上位機對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析評判，從而發(fā)現(xiàn)通風(fēng)機系統(tǒng)運行中存在的安全隱患。需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)主要包含：①風(fēng)機運行工況。風(fēng)機振動情況、風(fēng)速、風(fēng)量、全壓等；②電機運行工況。定子繞組和軸承的溫度、電壓、電流及功率等；③開關(guān)量數(shù)據(jù)。風(fēng)門的開啟狀態(tài)、電機旋轉(zhuǎn)方向、通風(fēng)機的啟停狀態(tài)等。一旦發(fā)現(xiàn)以上狀態(tài)數(shù)據(jù)存在異常時，系統(tǒng)會向外發(fā)出聲光警報[5]。

2.2 整體框架

通風(fēng)機在線監(jiān)控系統(tǒng)作為保障設(shè)備安全運行的重要措施和手段，需要同時對通風(fēng)機的多種狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進行實時監(jiān)測[6]。在充分考慮通風(fēng)機現(xiàn)場實際情況的基礎(chǔ)上，最終確定分別以PLC控制器和DIP8011軟件系統(tǒng)作為硬件核心和軟件核心，再配合使用各種本質(zhì)安全型隔爆傳感器以及工業(yè)計算機等儀器設(shè)備，構(gòu)建完整的監(jiān)控系統(tǒng)。通過傳感器采集得到的各種模擬量信號，基于模擬量輸入和輸出模塊可以將其傳輸?shù)焦I(yè)控制計算機中，各種開關(guān)量信號同樣需要傳入到PLC控制器中進行分析和處理。PLC控制器獲取相關(guān)數(shù)據(jù)后，一方面會將其存儲到數(shù)據(jù)庫中，另外還需要將其傳輸?shù)絃ED顯示器中進行實時顯示。如果經(jīng)過控制器分析處理后，發(fā)現(xiàn)通風(fēng)機設(shè)備存在安全隱患或故障問題，則會發(fā)出聲光警報。工業(yè)控制計算機通過UPS不間斷電源進行供電，確保緊急情況下監(jiān)控系統(tǒng)仍然能夠正常運行。在線監(jiān)控系統(tǒng)整體方案框圖如圖1所示。DIP8011軟件系統(tǒng)安裝在工業(yè)控制計算機中。

圖1 在線監(jiān)控系統(tǒng)整體方案框圖Fig.1 Block diagram of the overall scheme of the online monitoring system

從圖1中可以看出，煤礦通風(fēng)機系統(tǒng)中，包括通風(fēng)機、變頻器電控柜、蝶閥等都是需要監(jiān)測的對象，因為這些硬件設(shè)施會對系統(tǒng)運行產(chǎn)生比較重要的影響。這些設(shè)備的狀態(tài)信息，通過傳感器和變送器等進行采集、傳輸，最終全部轉(zhuǎn)換成為4～20 mA的電流或者1～5 V的電壓信號。通過A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量信號后才能夠被PLC控制器接受并處理。

3 監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分設(shè)計

3.1 檢測單元的選型設(shè)計

(1)溫度傳感器。采用WTP-270型鉑熱電阻傳感器對溫度進行檢測，測量溫度在-200～420 ℃，輸出的模擬量信號在0～5 V DC范圍內(nèi)變化。溫度傳感器主要是對電機的繞組和軸承溫度進行檢測，每臺電機需要使用5支傳感器(繞組部位安裝3支溫度傳感器，2個軸承部位各安裝1支傳感器)。共有2臺通風(fēng)機，每臺通風(fēng)機配備有2臺電機，共需要使用20支溫度傳感器。

(2)風(fēng)壓傳感器。由于通風(fēng)機輸出的風(fēng)壓流暢不是非常穩(wěn)定，測量時存在一定難度。研究基于局變環(huán)節(jié)壓差法對風(fēng)壓進行檢測，風(fēng)壓傳感器基本原理流程如圖2所示。其中，引壓裝置和濾配裝置都安裝在通風(fēng)機風(fēng)道內(nèi)的局變環(huán)節(jié)。壓差變送器安裝在配電柜中，型號為SMP2088，該設(shè)施具有較高的精度及靈敏度，測量范圍較廣(5～10 kPa)。

圖2 風(fēng)壓傳感器基本原理流程Fig.2 Basic principle flow chart of wind pressure sensor

(3)振動傳感器。煤礦生產(chǎn)環(huán)境比較復(fù)雜，通風(fēng)機工作時出現(xiàn)振動的原因是多方面的，難以根治。選用的振動傳感器型號為YY950，對設(shè)備運行時X和Y方向上的振動情況進行檢測[7]。正常工作時的溫度在-30～70 ℃，靈敏度和線圈最大位移分別為19.7 mA/mm/s和1.5 mm。根據(jù)煤礦生產(chǎn)安全規(guī)范要求，通風(fēng)機工作時最大振動幅度不得超過7 mm。如果檢測振動幅度超過了7 mm，系統(tǒng)會立即發(fā)出聲光信號，提示工作人員立即處理，消除安全隱患。為了更好地對通風(fēng)機振動情況進行檢測，還配套使用了SLW-3004型位移變送器，可以對設(shè)備運行時的振動頻率及其位移量進行準(zhǔn)確檢測。

(4)電量信號檢測裝置?；赗4233型智能綜合電參數(shù)采集模塊對通風(fēng)機電機運行過程中的各項電參數(shù)，包括功率、三相電壓、三相電流等進行實時采集[8]。該采集模塊可以通過串口通信的模式與PLC控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳輸，支持多種協(xié)議模式，包括MODBUS協(xié)議模式和ASCII碼協(xié)議模式，顯著提升了該檢測裝置的環(huán)境適應(yīng)性。R4233型智能綜合電參數(shù)采集模塊原理如圖3所示。

圖3 R4233型智能綜合電參數(shù)采集模塊原理Fig.3 Schematic diagram of R4233 intelligent comprehensive electrical parameter acquisition module

3.2 PLC控制器的選型設(shè)計

PLC控制器目前已經(jīng)發(fā)展非常成熟，市場上有多種類型可供選擇。但S7-300系列PLC控制器在工業(yè)領(lǐng)域有非常好的應(yīng)用效果[9]，因此選用該型號。選用的模擬量輸入模塊和輸出模塊型號分別為6ES7 331-7KF01 0AB0和6ES7 332-5HD01-0AB0。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，在線監(jiān)控系統(tǒng)共需要輸入的模擬量數(shù)量為50個，而PLC控制器中每個模擬量輸入模塊只有8個通道，所以共選用了7個模擬量輸入模塊，能夠滿足實際使用需要。系統(tǒng)中需要使用的模擬量輸出通道為2個，使用1個輸出模塊即可。S7-300型PLC控制器模擬量輸入模塊的電路結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 模擬量輸入模塊的電路結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Schematic diagram of the circuit structure of the analog input module

控制器中選用的開關(guān)輸入模塊和輸出模塊型號分別為6ES7 321-1BL00-0AA0和6ES7 322-1BH01-0AB0。其中，開關(guān)輸入模塊的主要作用是將開關(guān)量信號轉(zhuǎn)換成為“0”和“1”電平信號，這樣才能夠傳輸?shù)紺PU模塊中進行處理。系統(tǒng)中的開關(guān)量輸入信號數(shù)量為24個，使用1個模塊就能滿足要求。開關(guān)量輸出模塊的作用是將PLC控制器輸出的電平信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量信號，同時還可以對信號進行放大，同樣只需要1個模塊即可滿足現(xiàn)場需求。

CPU模塊是PLC控制器中的核心部分，其性能好壞直接決定了PLC控制器的質(zhì)量，選用的CPU模塊型號為315-2 DP，其具有強大的運算能力，可以同時進行多通道運算。電源模塊的作用主要是對PLC控制器中所有的模塊進行供電，選用PS-307-1KA01-0AA01型電源模塊，可以將外部輸入的電壓轉(zhuǎn)換成為24 V直流電壓。通信模塊選用CP343型，基于該模塊可以實現(xiàn)以太網(wǎng)通信以及與其他硬件設(shè)施的連接通信。

4 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計

軟件程序部分的質(zhì)量會對整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性產(chǎn)生決定性的影響。以下主要從PLC軟件程序和DIP8011軟件系統(tǒng)2個層面進行詳細介紹。

4.1 PLC程序設(shè)計

在STEP7軟件中完成PLC軟件程序設(shè)計[10]?；谀K化思想對軟件程序進行設(shè)計，將整個在線監(jiān)控系統(tǒng)的功能進行劃分，針對不同的功能分別進行程序設(shè)計，這種設(shè)計思想不僅便于軟件程序的實現(xiàn)，同時也有助于后期對程序的維護。通過模塊化設(shè)計可以對需要采集的系統(tǒng)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進行分類采集，并分類輸出不同的結(jié)果。軟件程序包含一個主程序和若干個子程序，通過主程序?qū)ψ映绦蜻M行調(diào)取。PLC軟件主程序流程如圖5所示。

軟件開始運行后，系統(tǒng)通電首先對上周期運行的數(shù)據(jù)進行清零處理，為此次在線監(jiān)控工作做好準(zhǔn)備工作，然后開始程序的其他各項操作。從圖5中可以看出，在主程序的運行過程中，會不斷地調(diào)取各種子程序。比如，確定啟用系統(tǒng)的監(jiān)控和監(jiān)視功能后，主程序開始調(diào)用功能模塊子程序FC1、FC2、FC3。其中，子程序FC1的作用是完成上位機相關(guān)數(shù)據(jù)量的顯示；子程序FC2的作用是對兩臺通風(fēng)機及對應(yīng)的2個蝶閥外圍動作進行邏輯控制；子程序FC3的作用是將采集得到的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)缴衔粰C中。另外，在風(fēng)機啟動以后，還會調(diào)用FC95、FC100和FC105子程序，其主要作用是對通風(fēng)機運行過程中涉及到的模擬量數(shù)據(jù)信號進行采集、邏輯比較、執(zhí)行輸出。

圖5 PLC主程序流程Fig.5 PLC main program flow chart

4.2 DIP8011軟件系統(tǒng)

該系統(tǒng)基于客戶期器/服務(wù)器的結(jié)構(gòu)模式，采用的是比較常用的SQL數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行存儲，整個系統(tǒng)主要由多個子系統(tǒng)構(gòu)成。

(1)配置子系統(tǒng)。針對整個系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)進行組態(tài)是配置子系統(tǒng)的主要任務(wù)。配置子系統(tǒng)的主要工作流程如圖6所示。

由圖6可知，需要配置的主要包括用戶管理、系統(tǒng)設(shè)置、地圖管理、數(shù)據(jù)字典定義等部分。①用戶管理最重要的是對不同級別的人員劃分不同的權(quán)限，權(quán)限越高的人員使用的功能越多；②系統(tǒng)設(shè)置主要是對系統(tǒng)的通信、串口、進程等方面進行設(shè)置，比如可以對數(shù)據(jù)采集的周期、延遲時間等進行設(shè)置；③在地圖管理模塊中，可以向系統(tǒng)中導(dǎo)入礦井地圖，并且設(shè)置監(jiān)控點，可以在系統(tǒng)中對礦井地圖進行編輯；④數(shù)字字典定義的作用是對數(shù)據(jù)采集設(shè)備相關(guān)的信息進行設(shè)置，比如可以設(shè)置設(shè)備的類型、處理方式等；生成儲存表的作用主要是對采集得到的數(shù)據(jù)信息進行分類，并將其存儲到歸類的數(shù)據(jù)表中，比如有電力參數(shù)儲存表、振動信息儲存表等。根據(jù)配置子系統(tǒng)可以充分結(jié)合礦井實際情況對整個在線監(jiān)控系統(tǒng)進行有效的配置，使之更好地適應(yīng)現(xiàn)場情況。

圖6 配置子系統(tǒng)的主要工作流程Fig.6 Main work flow chart of the configuration subsystem

(2)數(shù)據(jù)處理與查詢子系統(tǒng)。軟件對采集到的數(shù)據(jù)信息進行存儲，用戶隨時可以將存儲在數(shù)據(jù)庫中的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進行提取、查看，并且可以對數(shù)據(jù)進行簡要處理，使之以可視化的形式呈現(xiàn)?？梢圆樵兊男畔ㄍL(fēng)機系統(tǒng)運行實時狀態(tài)數(shù)據(jù)信息、某一個參數(shù)隨時間的演變情況、故障或者安全隱患報警信息等。

(3)地圖管理子系統(tǒng)。軟件中地圖管理子系統(tǒng)的主要作用是將采集得到的通風(fēng)機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息以可視化的形式進行呈現(xiàn)。

5 應(yīng)用效果評價

本文所述的煤礦東部區(qū)域礦井主通風(fēng)機，之前沒有使用在線監(jiān)控系統(tǒng)，主要通過人工方式對通風(fēng)機進行巡查和檢修。無法實時掌握設(shè)備運行狀態(tài)信息，在第一時間發(fā)現(xiàn)存在的安全問題，嚴(yán)重制約著通風(fēng)機系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。為了驗證煤礦通風(fēng)機在線監(jiān)控系統(tǒng)的可行性，基于上文所述的設(shè)計方案，將其應(yīng)用到煤礦工程實踐中。截至目前，在線監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦中已經(jīng)連續(xù)運行1年時間，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)整體運行良好，整個運行期間沒有出現(xiàn)明顯的故障問題。基于監(jiān)控系統(tǒng)可以對通風(fēng)機運行過程中的風(fēng)速、風(fēng)量、振動、溫度等關(guān)鍵運行狀態(tài)信息參數(shù)進行監(jiān)控?；谏衔粰C監(jiān)控大屏，工作人員可以實時掌握通風(fēng)機運行狀態(tài)。通風(fēng)機系統(tǒng)在運行期間出現(xiàn)了多次聲光警報，主要問題集中在通風(fēng)量過小、軸承溫度過高等，為工作人員及時發(fā)現(xiàn)問題并解決問題贏得了寶貴時間，有效保障了煤礦安全?？傊旱V通風(fēng)機在線監(jiān)控系統(tǒng)的成功實踐應(yīng)用，為通風(fēng)機設(shè)備日常的維護保養(yǎng)、檢修等工作提供了很好的數(shù)據(jù)支撐，顯著提升了設(shè)備運行的穩(wěn)定性和可靠性，降低了通風(fēng)機系統(tǒng)的日常運行維護保養(yǎng)成本，維護成本可以降低30%以上，取得了良好的經(jīng)濟效益和安全效益。

6 結(jié)論

本文以煤礦通風(fēng)機為研究對象，對其在線監(jiān)測系統(tǒng)進行了設(shè)計研究與應(yīng)用，所得結(jié)論主要如下。

(1)設(shè)計的在線監(jiān)控系統(tǒng)，基于數(shù)據(jù)量采集模塊對通風(fēng)機各部分的運行狀態(tài)信息進行實時采集，通過通信系統(tǒng)實現(xiàn)與上位機部分的連接。采集到的狀態(tài)信息傳輸?shù)缴衔粰C中進行分析處理，一旦存在安全隱患，系統(tǒng)會發(fā)出聲光警報。

(2)檢測單元主要包括溫度傳感器、風(fēng)壓傳感器、振動傳感器、電量信號檢測裝置等，選用的PLC控制器型號為S7-300。軟件部分主要是對PLC和DIP8011軟件系統(tǒng)2個層面進行詳細介紹。

(3)將設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦生產(chǎn)實踐中，基于應(yīng)用情況發(fā)現(xiàn)取得了很好的效果，能準(zhǔn)確地對通風(fēng)機運行中存在的安全隱患進行警告，不僅降低了通風(fēng)機設(shè)備的維護保養(yǎng)成本，且顯著提升了煤礦生產(chǎn)的安全性。