許鵬，王先宏，楊正華

（1.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，北京，100042；2.中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南株洲，412001）

0 引言

煤礦主扇風(fēng)機(jī)運(yùn)行具有設(shè)備多且分散，監(jiān)測參數(shù)多，監(jiān)控難度大等特點(diǎn)。風(fēng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，是保證煤礦生產(chǎn)作業(yè)人員安全的重要前提，提早預(yù)防和處理風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中的各種故障，進(jìn)行系統(tǒng)的在線監(jiān)控和診斷是煤礦安全生產(chǎn)信息化、自動(dòng)化的必然要求[1]。

目前我國還有許多傳統(tǒng)型舊式煤礦，主扇風(fēng)機(jī)的運(yùn)行仍然采用人工或分散監(jiān)測的運(yùn)行管理方式，無法實(shí)現(xiàn)集中化管理，可靠性和效率偏低，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率增大。而對(duì)于大型礦用軸流式風(fēng)機(jī)來說，喘振問題也是風(fēng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行一個(gè)重要方面，應(yīng)該在監(jiān)測系統(tǒng)中加入該模塊功能。綜上所述，無論從安全還是從管理角度，構(gòu)建主扇風(fēng)機(jī)監(jiān)測管理平臺(tái)，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定高效運(yùn)行，減少重大事故的發(fā)生，都是十分必要的。

本系統(tǒng)針對(duì)煤礦信息化改造的實(shí)際需求，利用高性能的前端數(shù)據(jù)采集和處理單元，以穩(wěn)定、可靠、精確的軟件系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給工控主機(jī)進(jìn)行分析、計(jì)算，并顯示存儲(chǔ)，從而對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)集中進(jìn)行在線監(jiān)測，為風(fēng)機(jī)的安全、高效運(yùn)行提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)支撐。

1 監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

主機(jī)選用研華IPC-510系列工控機(jī)，采用組態(tài)王軟件對(duì)監(jiān)測平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)。如圖1總體設(shè)計(jì)框圖所示，各項(xiàng)監(jiān)測用傳感裝置的供電、數(shù)據(jù)變送單元安裝在控制柜內(nèi)。通信接口通過集線器與工控主機(jī)串口通信。軟硬件設(shè)計(jì)均采用分層模塊化開發(fā)形式，每個(gè)設(shè)計(jì)層級(jí)均可快速顯示現(xiàn)場數(shù)據(jù)和生成歷史數(shù)據(jù)圖形，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，更方便現(xiàn)場操作人員使用和維護(hù)。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)框圖

設(shè)備數(shù)據(jù)采集單元采用多通道并行數(shù)據(jù)采集方案，每個(gè)采集通道采用獨(dú)立的AD轉(zhuǎn)換器，可設(shè)置不同毫秒等級(jí)的數(shù)據(jù)采集間隔時(shí)間，減少信號(hào)干擾，完成精確的實(shí)時(shí)采集任務(wù)[2]。

2 功能模塊的設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)溫度的監(jiān)測模塊

電機(jī)溫度監(jiān)測系統(tǒng)分為一主一備用雙冗余系統(tǒng)，每套排風(fēng)機(jī)系統(tǒng)均包含送、引兩臺(tái)電機(jī)。監(jiān)測硬件選用KCM-XJ 系列16路溫度巡檢儀。溫度傳感器采用PT00三線制熱電阻。熱電阻單元分別安裝于每臺(tái)風(fēng)機(jī)的A、C兩相定子以及前軸、后軸等四處，共16個(gè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測各個(gè)點(diǎn)位溫度數(shù)值。

溫巡儀與上位機(jī)的通信可選擇AD變送器模塊或直接選擇帶485通訊功能模塊的單元，將其與上位機(jī)串口對(duì)應(yīng)位相連接。這里為了減小通信信號(hào)傳輸干擾和煤安防爆要求，選用專用屏蔽雙絞線進(jìn)行連接、敷設(shè)。

2.2 電參數(shù)監(jiān)測單元設(shè)計(jì)

如圖2所示，系統(tǒng)三相電參數(shù)主要包括每臺(tái)風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)電壓、運(yùn)行電流、運(yùn)行頻率以及運(yùn)行功率[3]。這些電參數(shù)的監(jiān)測原設(shè)計(jì)系統(tǒng)是通過EDA9033A互感A/D測量、轉(zhuǎn)換模塊中得到。后期系統(tǒng)可加裝具有485通信功能的G7型高壓變頻器設(shè)備，可在軟件系統(tǒng)中設(shè)置通信接口和數(shù)據(jù)后直接讀取并顯示變頻器的相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖2 EDA9033A模塊接入系統(tǒng)測量電參數(shù)原理圖

監(jiān)測的系統(tǒng)電壓U為三相線電壓的平均值。

2.3 振動(dòng)數(shù)據(jù)的監(jiān)測與報(bào)警模塊

振動(dòng)的監(jiān)測主要監(jiān)測風(fēng)機(jī)在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，振動(dòng)速度瞬時(shí)值平方后平均值的平方根[4]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

Vrms—振動(dòng)速度有效值的方均根值，單位(mm/s)；T—振動(dòng)周期；

V(t)—隨時(shí)間t變化的振動(dòng)速度函數(shù)，單位(mm/s);

振動(dòng)監(jiān)測一般分為剛性支承和撓性支承兩種，采用有效值檢波特性的特殊一期進(jìn)行測量[5]。根據(jù)通風(fēng)機(jī)振動(dòng)檢測及其限值的國標(biāo)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于剛性支承，Vrms≤4.6mm/s；對(duì)于撓性支承Vrms≤7.1mm/s。由于本系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場風(fēng)機(jī)直接與剛性底座基礎(chǔ)緊固連接，故采用剛性支承作為振動(dòng)報(bào)警閾值。傳感檢測裝置分兩組分別外裝于各通風(fēng)機(jī)水平、垂直中心線方向[6]。

振動(dòng)監(jiān)測硬件選用TXY9200系列防水振動(dòng)傳感器，輸出信號(hào)4-20mA電流信號(hào)，通過DAQM4206-A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)為485通信信號(hào)，與上位機(jī)進(jìn)行串口通信。通信協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)的Modbus-RTU協(xié)議。

2.4 負(fù)壓、風(fēng)量數(shù)據(jù)采集與實(shí)現(xiàn)

負(fù)壓監(jiān)測是反應(yīng)風(fēng)機(jī)是否有良好的通風(fēng)的重要數(shù)據(jù)指標(biāo)。本系統(tǒng)采用高精度的3051單晶硅差壓變送器，輸出4-20mA電流信號(hào)，用于風(fēng)道差壓監(jiān)測。報(bào)警閾值設(shè)為2k pa。

風(fēng)量采用由流量傳感器、差壓變送器以及流量計(jì)算儀等組成的一體化流量傳感器進(jìn)行監(jiān)測、計(jì)算。風(fēng)量流量計(jì)算依據(jù)伯努利方程工作原理[7]：

其中，Q-氣體瞬時(shí)流量（m3/S）；Qmax-流量上限（m3/S）；?P- 測量差壓（Pa）；?Pmax- 差壓上限（Pa）；P1-設(shè)計(jì)壓力（Pa）；P0- 實(shí)際壓力（Pa）；PS-標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（Pa）；T0- 設(shè)計(jì)溫度（K）；T1- 實(shí)際溫度（K）。

2.5 喘振預(yù)警線的設(shè)置

礦用通風(fēng)機(jī)目前使用最廣泛的是氣體沿旋轉(zhuǎn)軸的方向流動(dòng)的軸流式通風(fēng)機(jī)。軸流風(fēng)機(jī)分為單級(jí)和多級(jí)[8]。本文重要研究的是單級(jí)軸流風(fēng)機(jī)喘振問題。由于這種通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、可靠性與安全性較離心式風(fēng)機(jī)較低。當(dāng)風(fēng)量由于外部原因發(fā)生阻塞，而風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)速并不減小的情況下，會(huì)在一些葉片尖端形成失速團(tuán)，從而形成擾動(dòng)阻塞以至于后來進(jìn)入的氣流會(huì)發(fā)生無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。如果這種失速現(xiàn)象加劇，失速團(tuán)遍布整個(gè)葉片，那么風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況會(huì)急劇惡化，造成突變性失速，便會(huì)引起喘振的發(fā)生。喘振的氣流周期性流動(dòng)，會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)葉輪和軸承連接件產(chǎn)生巨大的沖力，直接威脅到礦井的通風(fēng)系統(tǒng)的安全。

結(jié)合上述喘振成因分析，以及通過對(duì)單級(jí)軸流風(fēng)機(jī)的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得如圖3在風(fēng)機(jī)動(dòng)葉不同開度角度和不同管網(wǎng)阻力情況下的風(fēng)機(jī)性能曲線[9]。風(fēng)機(jī)正常工作點(diǎn)位于正常管網(wǎng)阻力特性曲線Ⅰ與動(dòng)葉5。時(shí)的性能曲線交點(diǎn)B。當(dāng)管網(wǎng)的阻力特性發(fā)生變化，使阻力曲線上移至曲線Ⅱ，此時(shí)工作點(diǎn)將上移至C點(diǎn)，較B點(diǎn)風(fēng)壓升高、流量減小。如果管網(wǎng)阻力進(jìn)一步加大，則工作點(diǎn)將進(jìn)一步上移，到達(dá)一個(gè)新工作點(diǎn)D。此后如果阻力還進(jìn)一步加大，則會(huì)出現(xiàn)風(fēng)機(jī)送風(fēng)不足的情況，此時(shí)風(fēng)壓P將低于D點(diǎn)的壓力，這樣風(fēng)將從風(fēng)機(jī)中倒回，風(fēng)道中的壓頭將迅速下降。當(dāng)風(fēng)道壓力下降后，形成壓力差，風(fēng)機(jī)又將恢復(fù)送風(fēng)，壓力回升。當(dāng)壓力再次高出風(fēng)機(jī)所能提供的壓頭時(shí)，將往復(fù)循環(huán)上述過程，形成喘振。這里的D點(diǎn)就稱為該動(dòng)葉角下喘振的臨界點(diǎn)。對(duì)不同動(dòng)葉角度下的性能曲線進(jìn)行分析和作圖便可得到不同的的臨界點(diǎn)，將臨界點(diǎn)連線便可得到圖3中最上邊緣的喘振臨界線。

通過上述分析能夠看出，當(dāng)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)超過喘振的臨界線時(shí)，便有發(fā)生喘振的危險(xiǎn)。所以理論上，圖中的上邊界線就是判斷系統(tǒng)是否會(huì)發(fā)生喘振的預(yù)警線。但實(shí)際情況下，如果實(shí)際運(yùn)行工況達(dá)到這條邊界點(diǎn)附近，那么若發(fā)生喘振將基本無法挽回。所以一般要將邊界線下平移5%～10%的距離，作為預(yù)警線。當(dāng)工作點(diǎn)進(jìn)入預(yù)警區(qū)域及左上部分，系統(tǒng)軟硬件便可觸發(fā)報(bào)警。

從圖3中也可以看出，報(bào)警后，在一定范圍內(nèi)調(diào)控風(fēng)機(jī)的動(dòng)葉角度，或者控制風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速提高管網(wǎng)出風(fēng)量等，可以將工作點(diǎn)拽離預(yù)警線向右下方移動(dòng)[10]。

圖3 風(fēng)機(jī)喘振預(yù)警線分析示意圖

2.6 外置報(bào)警單元

建立系統(tǒng)內(nèi)部變量作為中間檢測變量，根據(jù)不同的檢測物理量報(bào)警閾值需求，按控制要求設(shè)計(jì)合理的邏輯關(guān)系，并利用XHCK-4400串口繼電器和警報(bào)器來組成外置報(bào)警單元。也可以利用串口繼電器單元的多個(gè)輸出接口擴(kuò)展多個(gè)外置報(bào)警單元，從而實(shí)現(xiàn)分區(qū)域報(bào)警指示功能。

3 調(diào)試運(yùn)行

3.1 主監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行

風(fēng)機(jī)監(jiān)測軟件系統(tǒng)利用組態(tài)王軟件，采用分層級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)。主監(jiān)測界面是一般工況環(huán)境下開機(jī)運(yùn)行的顯示主界面。它包括溫度、振動(dòng)、負(fù)壓、風(fēng)量、報(bào)警指示、三相電參數(shù)等各項(xiàng)實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)和標(biāo)識(shí)，并開發(fā)了風(fēng)機(jī)運(yùn)行指示、管道風(fēng)量運(yùn)動(dòng)標(biāo)識(shí)等動(dòng)態(tài)顯示單元[11]。

下圖4為工作現(xiàn)場，1#主通風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，上述各部分?jǐn)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測顯示界面。

在主界面下方分布有實(shí)時(shí)報(bào)警窗口，動(dòng)態(tài)記錄當(dāng)前最近的十條報(bào)警信息，及時(shí)提醒工作人員查看或采取相應(yīng)措施。

3.2 風(fēng)機(jī)溫度曲線的顯示

每個(gè)界面右上方設(shè)置如圖4所示六個(gè)功能選擇按鍵，用戶可以通過選擇“圖形監(jiān)測”選項(xiàng)進(jìn)入相應(yīng)機(jī)組的歷史數(shù)據(jù)查詢、顯示界面。下圖為一號(hào)風(fēng)機(jī)作為主設(shè)備運(yùn)行時(shí)，某一時(shí)刻電機(jī)定子A相、C相繞組溫度，前后軸溫度監(jiān)測的歷史數(shù)據(jù)曲線圖形。

圖4 主監(jiān)測系統(tǒng)界面及現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)

每項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)均可在“高級(jí)設(shè)置”里的“報(bào)警參數(shù)設(shè)置”界面在線進(jìn)行報(bào)警閾值的修改、設(shè)置。與圖5電機(jī)溫度監(jiān)測歷史圖形界面開發(fā)類似，其他各項(xiàng)數(shù)據(jù)的歷史圖形的開發(fā)也均采用圖5所示圖素單元表示，只不過各項(xiàng)數(shù)據(jù)縱軸范圍，要根據(jù)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的合理值范圍進(jìn)行設(shè)置。

圖5 1#1級(jí)電機(jī)現(xiàn)場運(yùn)行的溫度監(jiān)測曲線

3.3 報(bào)表與數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)

(1)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的報(bào)表數(shù)據(jù)

系統(tǒng)報(bào)表作為監(jiān)控系統(tǒng)按時(shí)間生產(chǎn)的生產(chǎn)情況日志形式進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作，主要包括了各風(fēng)機(jī)地送、引風(fēng)機(jī)在各時(shí)間節(jié)點(diǎn)的風(fēng)量、負(fù)壓以及電參數(shù)等工作信息。下圖為現(xiàn)場1號(hào)風(fēng)機(jī)部分工作時(shí)間的報(bào)表輸出數(shù)據(jù)。通過輸入查詢?nèi)掌诳刹樵冏栽O(shè)時(shí)間區(qū)間段內(nèi)的任何自然天的歷史數(shù)據(jù)（本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間域?yàn)橐荒辏?/p>

報(bào)表查詢的部分設(shè)計(jì)代碼：

圖6 1#風(fēng)機(jī)運(yùn)行的報(bào)表數(shù)據(jù)

(2)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)與查詢

系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問功能支持ODBC訪問接口，可通過建立Access數(shù)據(jù)庫源，連接系統(tǒng)軟件查詢界面表格實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫的通信、存儲(chǔ)功能。并針對(duì)關(guān)鍵報(bào)警數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)分條件查詢功能。系統(tǒng)軟件與上述數(shù)據(jù)庫相連接，可實(shí)現(xiàn)只依賴于物理存儲(chǔ)空間要求的無限制存檔與查詢功能，完全能夠滿足煤礦全過程運(yùn)行等要求。

3.4 喘振監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試

根據(jù)上述軸流風(fēng)機(jī)在葉輪進(jìn)口處裝置喘振報(bào)警裝置，該裝置是由一根彼特曼管布置在葉輪的前方，開口對(duì)著葉輪的旋轉(zhuǎn)方向。彼特曼管是將一根直管的端部彎成90°（將開口對(duì)著氣流方向），用U形管與其相連，則U形管（壓力表）的讀數(shù)應(yīng)該為氣流的動(dòng)能（動(dòng)壓）與靜壓之和（全壓）。在正常情況下，彼特曼管測量的是葉輪前的壓力，氣流壓力為負(fù)值。但是當(dāng)風(fēng)機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)工作時(shí)，由于氣流壓力產(chǎn)生大幅度波動(dòng)，所以皮托管測到的壓力亦是一個(gè)波動(dòng)的值。為了使皮托管發(fā)送的脈沖壓力能通過壓力開關(guān)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，本系統(tǒng)皮托管的報(bào)警值是當(dāng)動(dòng)葉片處于最小角度位置（本系統(tǒng)設(shè)為-30°），用U形管（壓力表）測得風(fēng)機(jī)葉輪前的壓力再加上2kPa壓力，作為壓差開關(guān)的報(bào)警整定值。

當(dāng)運(yùn)行工況超過喘振極限時(shí)，通過壓力檢測裝置測量壓力與風(fēng)機(jī)出口處壓力差值，利用差壓開關(guān)的聲光向控制臺(tái)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。由于軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況和流量特性復(fù)雜多變，喘振的監(jiān)測、預(yù)警過程存在一定的不確定性。在軟硬件聯(lián)合設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮風(fēng)機(jī)啟動(dòng)過程中有可能會(huì)通過預(yù)警范圍，為了防止誤報(bào)警，在風(fēng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)可考慮一定的延遲后再進(jìn)行報(bào)警監(jiān)測。當(dāng)監(jiān)測到喘振預(yù)警后，也應(yīng)該在15s內(nèi)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，待確定后再進(jìn)行后續(xù)調(diào)控，以防止誤報(bào)警、誤停機(jī)的發(fā)生。

4 實(shí)際應(yīng)用

目前該系統(tǒng)已投入煤礦主扇風(fēng)機(jī)監(jiān)測現(xiàn)場，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。與改造之前相比，解決了現(xiàn)場一直以來各傳感監(jiān)測模塊只能分散記錄，信號(hào)傳輸和預(yù)警延遲，監(jiān)測數(shù)據(jù)無法長時(shí)間存儲(chǔ)與分類查詢、顯示，以及無法快速生成統(tǒng)一報(bào)表等諸多實(shí)際問題。