焦婉瑩，史佳豪，趙向杰

(西安航空職業(yè)技術(shù)學院，陜西 西安 710089)

煤礦開采通常是在井下進行，對通風條件提出了相對較高的要求，良好的通風是確保煤礦生產(chǎn)安全的重要基礎(chǔ)[1]。煤礦開采礦井中通常需要配備通風機系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可以將礦井內(nèi)部包含的粉塵、有毒、有害氣體及時排出井外。為了保障礦井安全，通風機系統(tǒng)需要連續(xù)運轉(zhuǎn)，對其運行穩(wěn)定性和可靠性提出了很高的要求[2]。一旦通風機系統(tǒng)出現(xiàn)故障問題沒有及時發(fā)現(xiàn)，可能引發(fā)煤礦生產(chǎn)安全事故，輕則導致煤礦生產(chǎn)停止，重則引發(fā)嚴重人員傷亡事故。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，煤礦生產(chǎn)安全事故中，70%以上是由于通風機系統(tǒng)故障問題或者管理不善[3]?；诖?，有必要對煤礦通風機系統(tǒng)設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)，以便實時掌握設(shè)備的運行狀態(tài)，提升通風機運行的穩(wěn)定性和可靠性[4]。本文主要以某煤礦中使用的通風機為研究對象，結(jié)合實際情況設(shè)計了監(jiān)控系統(tǒng)，并將其成功應(yīng)用到工程實踐中，取得了很好的效果，值得其他煤礦企業(yè)借鑒。

1 整體方案設(shè)計

本文主要以某煤礦中使用的主通風機系統(tǒng)為對象設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)，該煤礦主通風機系統(tǒng)的整體布局如圖1所示。從圖1中可以看出，該通風機系統(tǒng)共包含2臺通風機。其中，1臺作為主用通風機，另一臺作為備用通風機，且每臺通風機配備了兩級電機，通過冗余設(shè)計能提升通風機系統(tǒng)運行的可靠性。設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)時，要求通風機系統(tǒng)能根據(jù)礦井的實際需要輸出對應(yīng)的風量，在對通風量需求比較小時，只開啟一級電機，對通風量需求較大時，則需要開啟二級電機。當主通風機出現(xiàn)故障問題時，監(jiān)控系統(tǒng)切換兩臺通風機的運行狀態(tài)，立即啟動備用風機工作。

圖1 礦井主通風機系統(tǒng)的整體布局Fig.1 Overall layout of the mine main fan system

結(jié)合礦井對通風機系統(tǒng)的實際需求，按照“集中管理，分散控制”的思想，對監(jiān)控系統(tǒng)整體方案進行了設(shè)計。礦用通風機監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 煤礦主通風機監(jiān)控系統(tǒng)的整體方案Fig.2 Block diagram of overall scheme of monitoringsystem of main ventilator of coal mine

由圖2可知，監(jiān)控系統(tǒng)共可劃分成為3大部分，分別為現(xiàn)場測量部分、基礎(chǔ)控制部分和監(jiān)控管理部分。其中，現(xiàn)場測量部分主要作用是對礦井中的環(huán)境情況以及通風機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行采集；基礎(chǔ)控制部分的作用是對采集到的數(shù)據(jù)信息進行分析處理，判斷通風機系統(tǒng)運行狀態(tài)的好壞，或者通風量是否滿足礦井的使用需要；監(jiān)控管理部分的作用是對采集數(shù)據(jù)和處理結(jié)果進行顯示，以便工作人員實時掌握風機和礦井環(huán)境的狀態(tài)。另外，工作人員還可通過監(jiān)控管理部分下達控制指令，通過PLC控制器對通風機進行控制?；A(chǔ)控制部分和現(xiàn)場測量部分通過485總線/Modbus協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交互，基礎(chǔ)控制部分和監(jiān)控管理部分之間通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交互。

2 主要硬件設(shè)施的選型

2.1 PLC控制器選型設(shè)計

對于監(jiān)控系統(tǒng)而言，PLC控制器是核心硬件部分，其性能好壞會對整個系統(tǒng)運行的效率和穩(wěn)定性產(chǎn)生決定性影響。在充分分析不同類型PLC控制器優(yōu)缺點以及本監(jiān)控系統(tǒng)實際需要的基礎(chǔ)上，選用的是西門子公司研制的S7-200型控制器。該類型控制器具有接口豐富、體積小、功耗低、運行可靠性高等眾多優(yōu)勢，在工業(yè)領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用[5]。S7-200型PLC控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。由圖3可知，PLC控制器由多個單元構(gòu)成。

圖3 S7-200型PLC控制器的基本結(jié)構(gòu)Fig.3 Basic structure of S7-200 PLC controller

PLC控制器中不同模塊類型的選擇，同樣會影響控制器的運行性能。CPU是控制器的重要模塊，使用的是CPU226 CN型模塊，此模塊具有24個數(shù)字量輸入接口和16個數(shù)字量輸出接口，還包含2個RS-485通信接口。其中，數(shù)字量輸入模塊和輸出模塊的型號分別為EM221 CN DC和EM222 CN DC。選用的工業(yè)以太網(wǎng)模塊型號為CP243-1，作用是與上位機通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交互，此模塊需要通過24 V DC電源進行供電。

2.2 關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測硬件設(shè)施

監(jiān)控系統(tǒng)主要是利用專業(yè)的傳感器對通風機的運行狀態(tài)和通風參數(shù)進行檢測，檢測的效果會對監(jiān)控效果產(chǎn)生非常重要的影響。以下對系統(tǒng)中使用的關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測硬件設(shè)施進行選型設(shè)計。

(1)電量參數(shù)采集模塊。對于通風機系統(tǒng)而言，供電過程的穩(wěn)定性對設(shè)備的正常運行有非常重要的影響，設(shè)備一旦出現(xiàn)斷電問題將無法正常工作。因此,有必要對通風機的電量參數(shù)信息進行實時檢測，主要檢測設(shè)備運行時的電壓、電流、功率等參數(shù)。本系統(tǒng)中選用SMT18N2型模塊對通風機的電力參數(shù)進行綜合檢測，此型號模塊具備20路端口，可同時對多種電力參數(shù)信息進行檢測。電量采集模塊直接安裝在配電柜中，通過RS485接口進行連接，采集獲得的參數(shù)基于Modbus總線協(xié)議傳輸?shù)絇LC控制器中進行分析處理。電量采集模塊的接線原理如圖4所示。

圖4 電量采集模塊的接線原理Fig.4 Wiring schematic diagram of power acquisition module

(2)振動傳感器。設(shè)備運行時不可避免地都會發(fā)生振動現(xiàn)象，振動幅度如果相對較小，則影響不大。但如果振動幅度過大，必然會影響設(shè)備的運行穩(wěn)定性，所以有必要對通風機設(shè)備工作時的振動狀態(tài)進行檢測[6]。使用的是XZD-YB型振動傳感器，可以同時對設(shè)備在X方向和Y方向上的振動情況進行檢測。檢測得到的是4～20 mA的模擬量信號，需要利用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量信號轉(zhuǎn)變成為數(shù)字量信號后，再通過Modbus總線協(xié)議傳輸?shù)絇LC控制器中。

(3)負壓傳感器。通風機系統(tǒng)正常工作時有3個重要的概念，分別為靜壓、動壓和全壓。所謂靜壓指的是由于空氣分子在發(fā)生熱運動時對器壁造成的沖擊產(chǎn)生的壓力，而動壓則是指空氣在流動的過程中對器壁造成的壓力，全壓則是靜壓和動壓的總和[7]。礦井負壓大小是反映通風機系統(tǒng)運行性能的重要指標，本研究中選用GPD0.1F型負壓傳感器對礦井負壓進行實時檢測，安裝在風巷上。該傳感器檢測得到的信號同樣為4～20 mA的模擬量信號，需要利用A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后才能輸入到PLC控制器中。

(4)瓦斯?jié)舛葌鞲衅?。通風機系統(tǒng)最重要的作用是向井內(nèi)排入新鮮空氣，將井內(nèi)的瓦斯及時排出，控制礦井內(nèi)部的瓦斯?jié)舛?。瓦斯?jié)舛却笮ΦV井安全生產(chǎn)有非常重要的作用。系統(tǒng)中選用KGJ15型瓦斯?jié)舛葌鞲衅?，屬于本質(zhì)安全型設(shè)備，在復雜的礦井環(huán)境中可以確保使用過程的安全性。瓦斯?jié)舛葌鞲衅鬏敵龅氖?～20 mA的模擬量信號，需要經(jīng)過處理轉(zhuǎn)變成為數(shù)字量信號后輸入的PLC控制器中。

(5)風速傳感器。通風機系統(tǒng)運行時的功率越大，產(chǎn)生的風量和風速越大，但是過大的風量和風速會造成能源的浪費。系統(tǒng)實際運行時，應(yīng)該可以結(jié)合礦井的實際需要對風速和風量進行調(diào)整，對礦井內(nèi)部風速和風量進行實時檢測是調(diào)整的重要依據(jù)。系統(tǒng)中使用GFW型風速傳感器對風速進行檢測。該傳感器屬于智能型設(shè)備，可以實時顯示測量結(jié)果，也可以通過數(shù)據(jù)接口將結(jié)果傳輸至其他硬件設(shè)施進行分析。一般而言，風量和風速之間存在一定的關(guān)系，檢測得到風速以后，可以根據(jù)理論公式計算得到風量大小。

3 軟件程序設(shè)計

硬件部分是實現(xiàn)通風機監(jiān)控系統(tǒng)功能的物質(zhì)基礎(chǔ)，而軟件程序則是實現(xiàn)各硬件功能的靈魂，只有在軟件程序的驅(qū)動作用下，各硬件設(shè)施才能夠發(fā)揮應(yīng)有的作用[8]。為了提升軟件程序編寫的便捷性和后續(xù)維護的方便性，監(jiān)控系統(tǒng)軟件部分基于模塊思想進行設(shè)計。整個軟件程序包含1個主程序和若干個子程序，主程序在運行過程中，根據(jù)需要隨時調(diào)取其他的子程序?qū)崿F(xiàn)局部功能。以下主要對主程序和基于PID控制的風量調(diào)節(jié)子程序進行詳細介紹。

3.1 系統(tǒng)的主程序設(shè)計

煤礦通風機監(jiān)控系統(tǒng)主程序工作流程如圖5所示。由圖5可知，監(jiān)控系統(tǒng)開始運行后，對所有的硬件設(shè)施進行初始化處理，完成該工作后決定是否啟動1號通風機或者2號通風機。風機啟動后對風門進行控制，然后根據(jù)煤礦生產(chǎn)實際需要判斷是通風機是采用單級運行模式還是雙級運行模式。若采用單級模式，則啟動1號變頻器和1號電機，若采用雙級運行模式，則需要同時啟動2臺變頻器和2臺電機。變頻器根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的頻率運行，對通風機的風量進行調(diào)節(jié)。整個運行過程中，各類傳感器對設(shè)備的運行狀態(tài)和通風參量進行檢測，并反饋到PLC控制器中進行分析處理，實現(xiàn)通風設(shè)備的高效運行。通風機系統(tǒng)運行時如果主要通風機設(shè)備出現(xiàn)故障問題，監(jiān)控系統(tǒng)會立即切換到備用通風機工作，實現(xiàn)通風機系統(tǒng)的連續(xù)、穩(wěn)定、可靠工作，為煤礦生產(chǎn)安全奠定堅實的基礎(chǔ)。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)主程序工作流程Fig.5 Work flow chart of main program of the monitoring system

3.2 風量調(diào)節(jié)子程序

研究中基于PID技術(shù)對通風機的風量進行調(diào)節(jié)控制，PID控制技術(shù)屬于閉環(huán)控制，能顯著提升風量調(diào)節(jié)控制過程的精度。使用的S7-200型PLC控制器內(nèi)部已經(jīng)集成了8路PID，在實際應(yīng)用時可以結(jié)合實際情況最多編寫8路PID控制程序，并且建立不同程序之間的聯(lián)系[9]。其中一路程序?qū)儆谥鞒绦颍渌绦驅(qū)儆谧映绦?，運行時主程序可對其他的子程序進行調(diào)用。利用Step-7軟件編寫相關(guān)的程序，風量調(diào)節(jié)PID控制參數(shù)程序塊如圖6所示。圖6中，Output屬于輸出端，作用是對外發(fā)出控制指令，主要是對各變頻器進行控制，比如控制變頻器的輸出頻率大小，進而對通風機電機的輸出轉(zhuǎn)速進行控制，最終改變通風機的通風量；PV_I為輸入端，風量傳感器采集得到的風量數(shù)據(jù)信息會通過該端口輸入到PLC控制器中，并傳輸?shù)斤L量調(diào)節(jié)的程序中；Setpoint～屬于風量目標值設(shè)定斷口，可以根據(jù)礦井的實際運行需要設(shè)定對應(yīng)的目標風量大小。

圖6 風量調(diào)節(jié)PID控制參數(shù)程序塊Fig.6 Air volume adjustment PID controlparameter program block

4 監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究

4.1 監(jiān)控系統(tǒng)整體運行情況

本文所述煤礦之前沒有設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)，對通風機的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)無法實時監(jiān)控與掌握，在開展通風機系統(tǒng)設(shè)備維護保養(yǎng)工作時沒有指導性數(shù)據(jù)，效果不佳。將設(shè)計的通風機監(jiān)控系統(tǒng)部署到煤礦工程實踐中后，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可以實時對通風機的輸出風量、風壓、風速等數(shù)據(jù)信息進行檢測，另外通風機設(shè)備運行時的振動狀態(tài)、溫度等數(shù)據(jù)也可實時采集?；谝陨蠑?shù)據(jù)信息，工作人員可以實時掌握通風系統(tǒng)運行狀態(tài)。根據(jù)這些狀態(tài)數(shù)據(jù)，可定性分析判斷設(shè)備的健康狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行時潛在的安全隱患?；诒O(jiān)測數(shù)據(jù)可以指導設(shè)備的維護保養(yǎng)工作，定期對設(shè)備開展預防性的檢修，確保設(shè)備能長期以健康狀態(tài)運行。

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)運行效果分析

(1)風量改善情況。礦井未部署通風機監(jiān)控系統(tǒng)時，由于無法掌握通風機系統(tǒng)的運行狀態(tài)。因此，通風量經(jīng)常保持在相對較低的水平，總通風量約為5 400 m3/min。在成功部署監(jiān)控系統(tǒng)后，監(jiān)控系統(tǒng)配合使用變頻器可以根據(jù)礦井的實際需要對通風量進行調(diào)節(jié)，礦井總通風量增加到了6 000 m3/min。通風量的改變使得礦井各區(qū)域的風速有了一定程度的提高。風速提高后礦井環(huán)境溫度得到了改善，粉塵濃度也出現(xiàn)了明顯降低，有效改善了礦井的工作環(huán)境。部署監(jiān)控系統(tǒng)前后礦井內(nèi)部風速和溫度的變化情況如圖7所示。由圖7可知，礦井中不同區(qū)域的風速有了很大程度提高，對應(yīng)的溫度從26 ℃左右降低到了23 ℃左右，使煤礦開采環(huán)境更加舒適。

圖7 通風機部署監(jiān)控系統(tǒng)前后的風速與溫度對比Fig.7 Comparison of air speed and temperature before and after deployment of monitoring system of ventilator

(2)瓦斯控制情況。瓦斯?jié)舛仁潜Ｕ厦旱V生產(chǎn)安全的重要指標，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定，礦井中的瓦斯?jié)舛韧ǔ２怀^1%[10-14]。在未部署通風機監(jiān)控系統(tǒng)前，礦井各區(qū)域的瓦斯?jié)舛乳L期處在一個相對較高的水平，非常接近安全標準中的臨界值。如，掘進工作面的瓦斯?jié)舛纫恢倍急３衷?.6%～1.0%內(nèi)，回風巷口和上隅角的瓦斯?jié)舛乳L時間保持在0.8%～1.2%，開拓工作面的瓦斯?jié)舛乳L時間保持在0.2%～0.5%。使用監(jiān)控系統(tǒng)后，由于通風量出現(xiàn)了一定程度的增加，礦井各區(qū)域的瓦斯?jié)舛鹊玫搅撕芎玫母纳芠15-18]。采煤工作面、掘進工作面、開拓工作面的瓦斯?jié)舛确謩e降低到0.3%～0.7%、0.2%～0.6%、0.1%～0.3%。通風機部署監(jiān)控系統(tǒng)前后的不同區(qū)域瓦斯?jié)舛葘Ρ惹闆r如圖8所示。由圖8可以看出，使用了監(jiān)控系統(tǒng)后，礦井各區(qū)域的瓦斯?jié)舛染@著降低，遠遠低于安全規(guī)范標準中1%的臨界值，為煤礦生產(chǎn)安全創(chuàng)造了良好的環(huán)境條件。

(3)經(jīng)濟效益分析。本文所述煤礦礦井沒有使用監(jiān)控系統(tǒng)前，由于通風量相對較小，環(huán)境溫度較高，部分區(qū)域的瓦斯?jié)舛染痈卟幌?，導致工作面?jīng)常需要停止作業(yè)，撤出工作人員，嚴重制約采煤效率的提升，使得礦井的生產(chǎn)效率遠遠達不到設(shè)計標準。根據(jù)礦井以往的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，每年有超過200h的停機時間是由于通風機系統(tǒng)通風量達不到要求造成的。使用了監(jiān)控系統(tǒng)以后，由于通過量的提升使得每月因瓦斯?jié)舛瘸瑯硕Ｖ惯\行的時間不超過5 h，與前期相比生產(chǎn)效率有了明顯的提升，目前煤礦每月超額完成5%～8%的工作量。另一方面，監(jiān)控數(shù)據(jù)可以很好地指導設(shè)備的維護保養(yǎng)工作，提升了維護保養(yǎng)的工作質(zhì)量和效率，為煤礦企業(yè)節(jié)省了一定的維護保養(yǎng)成本?？傊ㄟ^使用監(jiān)控系統(tǒng)可以為煤礦企業(yè)創(chuàng)造非常好的經(jīng)濟效益和安全效益。

圖8 通風機部署監(jiān)控系統(tǒng)前后的瓦斯?jié)舛葘Ρ菷ig.8 Comparison of gas concentration before and after deployment of monitoringsystem for ventilator

5 結(jié)論

本文主要以煤礦中使用的通風機為研究對象，對其監(jiān)控系統(tǒng)進行了詳細的設(shè)計與研究，所得結(jié)論主要如下。

(1)設(shè)計的煤礦通風機監(jiān)控系統(tǒng)共分為3大部分：現(xiàn)場測量、基礎(chǔ)控制和監(jiān)控管理。不同部分各自發(fā)揮作用，共同完成監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)檢測、控制分析與管理等各項功能。

(2)PLC控制器作為監(jiān)控系統(tǒng)的核心，使用S7-200型PLC。電參量采集模塊、振動傳感器、負壓傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、風速傳感器的型號分別為SMT18N2、XZD-YB、GPD0.1F、KGJ15、GFW，均為本質(zhì)安全型設(shè)備且具有良好的性能。

(3)監(jiān)控系統(tǒng)軟件程序采用模塊化設(shè)計，由一個主程序和多個子程序構(gòu)成，主程序運行時可調(diào)用不同子程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，完成對應(yīng)的任務(wù)。

(4)將設(shè)計的通風機監(jiān)控系統(tǒng)部署到煤礦通風機工程實踐中，對各項性能進行測試發(fā)現(xiàn)良好。與未使用監(jiān)控系統(tǒng)之前相比較，礦井的瓦斯?jié)舛取⒎蹓m濃度、溫度、風速等都有了明顯的改善，安全效益和經(jīng)濟效益顯著。