張小路

（西山煤電馬蘭礦實業(yè)分公司，山西 古交 030205）

引言

受煤礦井下復雜惡劣的環(huán)境影響，井下的通風性隨著礦井巷道的深度及數量增加而急劇下降，大量的粉塵及瓦斯等有害氣體成為影響井下作業(yè)安全性的主要因素[1-3]。煤礦主通風機作為井下主要通風設備，其運行可靠性及效率是保證井下空氣穩(wěn)定交換的關鍵。由于井下惡劣環(huán)境影響加之沒有采取有效監(jiān)測方式，多數煤礦主通風機的故障率居高不下，同時其啟動及運行方式落后，造成的電能損耗十分巨大，因此設計一套運行可靠、性能良好的主通風機監(jiān)控系統(tǒng)對于促進智能化煤礦建設至關重要。

目前多數針對煤礦主通風機的監(jiān)控系統(tǒng)僅能實現(xiàn)直接啟停及部分工況參數采集等簡單功能，系統(tǒng)結構簡單，監(jiān)測量及監(jiān)控精度十分有限，且數據交互性較差，無法實現(xiàn)對主通風機的智能控制及實時在線監(jiān)測。針對上述問題，本文在傳統(tǒng)主通風機監(jiān)控系統(tǒng)的基礎上利用以太網對系統(tǒng)通信網絡進行架構，采用主從PLC 控制結構及多參數采集模塊對井下通風系統(tǒng)各分散設備進行集中監(jiān)控，有效提高了系統(tǒng)可監(jiān)測數量及監(jiān)控精度，在實現(xiàn)對主通風機各運行狀態(tài)的全面、實時、精確監(jiān)測的同時通過變頻控制實現(xiàn)對風機的軟啟動，有效降低了通風機能耗，為井下高效、安全生產提供了可靠保證。

1 監(jiān)控系統(tǒng)架構及工作原理

監(jiān)控系統(tǒng)的主要設計方案是在風機直接啟停及部分工況參數采集功能的基礎上通過集成監(jiān)測范圍更為全面的參數采集模塊、PLC 主控器及通信網絡的架構實現(xiàn)風機運行狀態(tài)全方位監(jiān)測、變頻節(jié)能控制、故障預警診斷及智能化管控界面等功能，其控制原理如圖1 所示。

由圖1 可知，當系統(tǒng)運行時，上位機根據所采集參數向PLC 主控器下達控制指令，再由PLC 主控器輸出響應控制信號控制變頻器改變電機頻率，從而實現(xiàn)主通風機風量自適應調整等功能，在整個控制過程中參數采集模塊將對風機運行參數進行實時采集和反饋。

圖1 主通風機監(jiān)控系統(tǒng)控制原理

為了進一步提高系統(tǒng)控制精度及響應速度，系統(tǒng)采用主從PLC 控制結構在主風機、備用風機及風門等監(jiān)測點分別設置多組PLC 分站，組成分布式監(jiān)控系統(tǒng)，最終由PLC 主站作為各類數據及指令的匯集點通過通信網絡與上位機進行交互，從而有效提高系統(tǒng)運行效率。監(jiān)控系統(tǒng)整體結構如圖2 所示。

圖2 主通風機監(jiān)控系統(tǒng)總體結構圖

由圖2 可知，三臺PLC 監(jiān)控分站分別用于控制主通風機、備用風機及風門，同時對三臺主要設備的運行參數進行獨立采集實時上傳，最終將傳感器信號匯總至PLC 監(jiān)控主站，由PLC 主站集中上傳至上位機。在通信方面，系統(tǒng)采用工業(yè)以太網+RS485 總線組合通信方式對監(jiān)控系統(tǒng)的通信網絡進行架構，上位機監(jiān)控中心與井下監(jiān)控主站采用工業(yè)以太網進行通信，從而實現(xiàn)控制指令的下達及監(jiān)測數據的上傳。PLC 主站與各分站的通信采用RS485 總線通信方式，保證了數據交互的效率及可靠性。

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件選型及設計

監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分按照功能劃分主要包括上位機監(jiān)控模塊、主從PLC 控制模塊、變頻器及參數采集模塊等部分。PLC 主從控制器作為本系統(tǒng)的控制核心，其運算、控制及通信性能對于系統(tǒng)至關重要。本文選用西門子S7-300 PLC 作為系統(tǒng)主從下位監(jiān)控站，CPU 選用型號為315-2DP，其位運算及字運算處理時間分別可達0.05 μs、0.09 μs，其內部集成了2 個RS485 接口及組合MPI/Profibus DP 接口，可滿足上位機-下位機、PLC 主從站間及PLC 分站-變頻器的通信需求。PLC 配置有IM153-1 型I/O 接口擴展模塊，可實現(xiàn)最多8 個I/O 模塊擴展，可滿足系統(tǒng)對I/O接口數量的需求。

數據采集模塊的主要作用是對主備通風機運行過程中的風量、風壓、電機軸承及繞組溫度、電機軸承振動、電機電壓電流等主要參數實時采集上傳，相應傳感器的選型對于系統(tǒng)的監(jiān)測精度十分重要。

針對通風機風量監(jiān)測，本文風量傳感器所選用型號為KGF2，KGF2 可測量風速范圍在0.3～15 m/s 之間，最大允許誤差可達±0.3 m/s，支持RS485 通信，可輸出4～20 mA/1～5 mA 電流信號及200～1 000 Hz/5～15 Hz 頻率信號。

本文選用GPD0.1 型礦用負壓傳感器對通風管道負壓進行監(jiān)測，GPD0.1 壓力量程為-0.1～0 MPa，可輸出4～20 mA 標準電流信號，當風機管道靜壓低于外部大氣壓力的值超出限值時，系統(tǒng)將根據所采集的負壓信號發(fā)出故障預警。

通風機在運行過程中其電機軸承及繞組會產生大量熱量，當溫度過高時，極易發(fā)生電機損壞、軸承抱死等嚴重故障。本文選用PT100 型溫度傳感器對通風機電機主要部件進行溫度信號采集，PT100 的溫度量程為-250～850 ℃，基本誤差可穩(wěn)定維持在0.5%FS以下，輸出信號為標準4～20 mA 電流信號或0～5/10 V電壓信號，可滿足本系統(tǒng)的溫度監(jiān)測需求。

為防止風機電機在運行過程中發(fā)生劇烈震動，本文選用KH-HZD 型礦用振動傳感器對電機軸承及葉片的振幅進行監(jiān)測，KH-HZD 振幅量程為0～50 mm/s，測量靈敏度為20 mV/（mm·s）±5%，最大測量振幅加速度為10g，可滿足本系統(tǒng)對風機振動的監(jiān)測。

在通風機電機電壓電流等電參數采集方面，本文選用DLBSMK-4 型電量變送器對通風機主要電參數進行采集，其直接輸入量程為0～1 000 V 電壓值及0～5 A 電流值，直流及交流測量精度分別為0.25%及0.5%，滿足本系統(tǒng)電參數監(jiān)測需求。

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

上位機監(jiān)控軟件是實現(xiàn)主通風機運行狀態(tài)實時顯示、運行數據分析管理及啟停調速綜合控制功能的核心部分，其中系統(tǒng)所搭載的人機交互界面是實現(xiàn)上述功能的直觀監(jiān)測控制平臺，需滿足界面直觀、功能豐富、操作便捷的設計要求，系統(tǒng)人機交互界面軟件功能如圖3 所示。

圖3 煤礦主通風機運行監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能圖

上位機系統(tǒng)人機交互界面主要功能包括參數設置、狀態(tài)實時監(jiān)測、綜合控制、監(jiān)控畫面顯示、數據管理五部分。首先系統(tǒng)可完成對風機各參數報警值上限及電機啟動參數等初始狀態(tài)的設置，系統(tǒng)初始化完成后，即可對風機的風量、風壓及電機電壓、電流、振動量等主要參數進行監(jiān)控顯示，并實時繪制報表及曲線，使監(jiān)控畫面更為直觀。綜合控制除風機啟停、風門控制及故障報警等基本功能外，還可通過PID 控制對變頻器輸出進行實時調節(jié)，從而實現(xiàn)風機風量、風壓及功率的自適應調節(jié)，最終系統(tǒng)將對監(jiān)控數據及事件進行記錄存儲和打印。

4 系統(tǒng)應用效果分析

在完成系統(tǒng)軟硬件及通信設置后，通過人機交互界面對整個系統(tǒng)的控制及監(jiān)測運行進行了實際測試。在風機控制測試方面，通過上位機對主風機進行自動啟?？刂瓶稍? min 內完成全部動作，模擬主風機故障自動切換至備用風機流程可在2 min 內完成。在主風機運行狀態(tài)監(jiān)測測試方面，首先控制風機啟動并穩(wěn)定運行后，持續(xù)采集風機12 h 不間斷運行下每隔1 h的各項運行參數，共計12 組運行參數，系統(tǒng)監(jiān)測部分運行結果如下頁表1 所示。

表1 監(jiān)測系統(tǒng)運行測試各項監(jiān)測參數結果

5 結語

本文針對傳統(tǒng)煤礦主通風機監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，通過傳感器及變頻技術有效提高了監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測容量、數據傳輸性能及控制精度，系統(tǒng)通過遠程控制中心的人機交互界面實現(xiàn)對井下主通風機的運行狀態(tài)實時監(jiān)測及遠程集中控制，有效降低了人工監(jiān)控工作量，從而進一步提高了煤礦主通風機運行監(jiān)控的智能化水平。