矿井主通风机性能在线监测与监控系统的设计

1.引言

矿井通风机是向井下输送新鲜空气，排除矿井有害气体，维持正常的生产条件，保障安全作业和人员身体健康的固定设备，其运行状况的好坏，直接关系到人身安全和生产能否正常运行，在保证矿井正常安全生产方面起着重要的作用。随着现代科学技术的发展，企业对生产系统自动化控制程度的要求不断提高，控制过程要求更加安全可靠，功能更加齐全，需要对生产过程信息集中监测、实时存取、自动分析，以便于实施最佳运行方案。在现代计算机技术、微电子技术的强大支持下，企业不断提高自动化水平，提高工业生产效率也是企业发展的必需。所以，利用计算机实现对通风机的智能化管理将为设备运行帶来众多的优点，为企业发展产生重要的意义。

2.监控系统的设计

监控系统由PLC监控柜、现场监控主机（含监测软件）、现场传感器及通讯网络及功能接口等组成，系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

2.1 PLC监控柜

控制核心PLC采用西门子S7-300系列可编程控制器，主要包括CPU模块、电源模块、模拟量输入输出模块、数字量输入模块、数字量输出模块、以太网通讯模块等，实现的主要功能如下：

2.1.1 设备控制方式包括：自动-手动-检修三种控制模式。

①自动控制方式：全过程PLC参与控制，由PLC按照预置程序控制，遵循必须的闭锁关系，防止各种误操作的发生。此方式受操作员在操作站控制，实现风机和附属设备的“一键式” 自动启、停风机、“一键式”自动倒机等功能，可代替人工分步倒机操作，大大缩短风机倒计时间。

②手动控制方式：全过程PLC参与控制，遵循必须的闭锁关系，防止各种误操作的发生。此方式操作员在现场或远程操作站按顺序起、停每个相关设备。

③检修控制方式：操作员通过就地控制柜或控制箱实现设备操作，选择就地控制柜或控制箱的“远方-就地”为就地方式，操作站处于不可操作状态，此方式用于风机设备检修或调试时的控制操作。

2.1.2 控制系统与变频器配合，手动或自动控制变频器的输出频率，可实现风量的调节功能。

2.1.3 采集的模拟量参数包括：：风机的全压、静压、动压、风量、风速、效率、瓦斯浓度、一二级电机轴承温度、两级电机绕组温度（三相）、风机振动信号（X、Y方向）、两级电机运行电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、累计电量等。设备状态信号包括：风机运行状态（正反风），变频器运行状态、风门位置状态等。

2.1.4 系统对温度超限、风机振动超限、变频故重障等重要运行参数和状态进行快速分析处理，发现异常情况首先及时发出声光报警提示，并根据工艺要求实现联锁保护停机。

2.1.5 PLC系统配置以太网通讯模块，与2台监控计算机（上位机）采用TCP/IP协议进行通讯。

2.2 监控主机

监控主机采用工业级计算机上，满足在恶劣的环境中长期稳定可靠的不间断运行。监控主机设置两台双机冗余设计，每台上位机可同时监控两台风机，正常时一用一备，监控主机配有监控台和打印机， 监控台安装在风机房值班室内。

2.2.1 数据监控主机基本配置：

研华IPC-610;CPU主频：酷睿双核2.4G;内存：2G;硬盘容量：320G;显示器：22″液晶显示器;光驱：DVD。

2.2.2 系统监测监控软件采用工业控制组态软件设计开发，人机界面友好，操作简单，实时显示运行工况参数，动态显示工艺流程图形和设备运行状态;

2.2.3 实时报警和历史报警信息查询功能：当系统出现报警时，自动记录报警所发生时刻和确认、消失的具体时间，通过历史报警窗口可进行查阅。

2.2.4 对所有模拟量监测参数形成实时趋势曲线和历史趋势曲线功能，系统对监测参数定时保存到历史数据库，存储保存时间为一年，可通过历史趋势功能随时提取和查阅历史数据库任一时刻记录点的数据和运行变化趋势。

2.2.5 系统记录各参数整点运行数据自动生成生产报表，代替人工抄录，为用户提供真实有效的运行数据。

2.2.6 数据转存功能：用户可利用“U”盘通过计算机USB口将数据报表转存拷贝，并可选择存储路径、报表时间范围、数据记录间隔等功能，数据文件为excel格式文件，非常方便用户分析整理。

2.2.7 根据风压、风量等参数，自动绘制实时风阻运行曲线和相应运行角度和转速的风机性能曲线，显示风机运行工况点。

2.2.8 打印功能：可将报警信息记录和报表自动或手动打印输出。

2.2.9 系统通过矿方提供的以太网可实现远程监测监控功能，设备控制设有安全操作权限，具有登陆权限者方可进行操作;

2.2.10 系统提供可靠的标准数据共享网络接口包括OPC、TCP/IP、WebService等多种通讯方式，实现与矿调度中心或机电设备管理网等上一级网络监控系统联网，传送全部监测数据，提高监控效率，适应全矿乃至全局的信息化管理的要求。

2.2.11 具有在线信息系统功能：可以在线察看系统操作维护使用说明书，也可以录入各种管理信息，如：安全操作规程、管理制度、设备档案资料等。

3.现场传感器

现场传感器包括温度传感器、负压传感器、振动传感器、瓦斯浓度传感器、综合电参数采集模块等，来完成设备基本信号的采集，通过通讯接口或信号变送调理转换成标准信号送至PLC进行进一步处理，以下是各传感器的数量、参数以及测量方法等。

3.1 温度信号的测量

传感器采用分度号PT100铂电阻温度传感器（如图2），铂电阻温度传感器具有精度高，稳定性好，应用温度范围广（-200℃～400℃）的特点，温度传感器接线采用三线制连接，因为测量铂电阻的电路为不平衡电桥，铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，当桥路平衡时，导线电阻的变化对测量结果没有任何影响，这样就消除了导线线路电阻带来的测量误差，提高测量精度。

图2 温度传感器

3.2 风压、风量的测量

负压传感器用来测量巷道静压和测量计算风量使用（风量测量计算原理见3.2.2节），巷道静压测点压力源取自“U”计处，风机入口静压测点需要在风机入口机体上加工布置一个环形测压装置，取4个点的平均静压，结构示意图如图3、图4所示。

表1 每台风机的温度测点

测点名称 数量 安装和接线 说明

一级电机绕组温度 3 电机已预埋温度传感器 三相绕组温度

一级电机轴伸端轴承温度 1

一级电机轴非伸端轴承温度 1

二级电机绕组温度 3 三相绕组温度

二级电机轴伸端轴承温度 1

二级电机轴非伸端轴承温度 1

图3 环形测压示意图       图4 负压变送器

3.2.1 负压变送器主要技术参数

测量范围：0～-10Kpa;输出：4-20mADC二线制;基本误差：0.5%;工作温度：-20℃-+85℃;长期稳定性：<0.2%F.S/℃;过载极限：最大额定压力的1.5倍。

3.2.2 风量的测量方法

根据空气流动的动力学理论，利用两端面静压变化测定法计算风量，这种方法具有测定方法简单、测定数据稳定、准确的特点，并且适合进行长期在线风量监测。分别在巷道和风机入口处之间取S1、S2两处不同断面的静压测点，由2只负压传感器采集送入PLC通道，按照计算公式计算风量，并且进一步计算风机入口的风速、风机装置综合效率等相关参数，如图5。

图5 风量测量示意图

3.3 风机振动的测量

振动传感器用于测量风机的振幅或振速信号，是监测风机异常故障的重要手段之一，振动传感器一般安装在风机内轴承座体上（或风机机体上），每台风机分别装有垂直、水平方向分布的振动传感器， 如图6、图7所示。振动传感器有专用配套变送器，将振动信号转换为4-20mA标准信号送入PLC模拟量采集通道。

图6 振动传感器             图7 振动变送器

图8 EDA9033D电参数模块            图9 接线原理

图10 矿用甲烷和一氧化碳传感器        图11  矿用隔爆兼本安电源

表2 主要监测参数一览表（每台风机）

序号 参数名称 量程 单位 测点

数量 参数报警 说明

上限 下限

1 风机静压 0～-10 KPa 1 - - 传感器测量

2 风机全压 0～-10 KPa 1 - - 计算

3 风机风量 m3/s 1 - - 取两段不同断面静压差计算

4 风机风速 m/s 1 - - 由风量和此点断面面积计算

5 风机装置效率 % 1 - - 由风压、风量、电机输入功率等参数量计算

6 瓦斯浓度 0～4 % 1 ★ 传感器测量

7 一级电机绕组温度 -20～200 ℃ 3 ★ - A、B、C三相绕组，

8 一级电机前轴承温度 -20～200 ℃ 1 ★ -

9 一级电机后轴承温度 -20～200 ℃ 1 ★

10 二级电机绕组温度 -20～200 ℃ 3 ★ - A、B、C三相绕组，

11 二级电机前轴承温度 -20～200 ℃ 1 ★ -

12 二级电机后轴承温度 -20～200 ℃ 1 ★ -

13 风机振动信号 0～500 μm 2 ★ - X轴向Y轴向

14 电机定子电压 0～500 V 2 ★ ★ 包括一、二级电机

15 电机定子电流 A 2 ★ -

16 有功功率 KW 2 - -

17 无功功率 KVar 2 - -

18 功率因数 2 - -

19 累计电量 KWh 2 - -

20 运行频率 HZ 2 - -

21 变频器运行信号 无源接点信号

22 风机运行信号 无源接点信号，取自分机启动柜

23 风门位置信号 无源接点信号，取自风门电动执行机构

振动传感器主要技术参数：振动传感器型号：CD-21C（S）;测量范围：0～500μm;灵敏度：200mv/cm/s;横向灵敏度比：<10%;工作环境：温度：-29℃～80℃，相对湿度：95%不冷凝;输出电阻：≤500Ω;最大承受冲击：500m/s2。

3.4 风机运行电参数的采集

风机运行的电参数采集采用综合电参数模块实现，综合电参数模块是一款性能优异，功能齐全的智能型电参数测量与采集模块，适用于工频三相三线制或三相四线制电路中的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等信号的测量，采用RS485总线通讯方式，标准MODBUS-RTU通讯规约。

综合电参数模块分别安装在一、二级风机启动柜和进线柜内，接入三相电压（二次电压）、A、C相电流，通过协议转换模块与PLC建立通讯连接，传送各种参数，使系统集供电监测功能于一体。如图8、图9所示。

综合电参数模块主要技术参数：输入信号：三相交流电压、电流，输入频率：45～75Hz;電压量程：500V，电流量程：5A;通讯输出：RS-485，标准MODBUS-RTU通讯规约;测量精度：电流、电压：0.2级;其它电量：0.5级;供电电源：DC+10～30V;功耗：<0.5W;工作环境：工作温度：-20℃～+70℃，相对湿度：5%～95%不结露。

3.5 瓦斯浓度传感器

瓦斯浓度传感器选用矿用本安兼隔爆型产品，配有专用矿用本安电源，传感器本身具有LED数字显示功能，声光报警功能和采用遥控器调校的功能，传感器输出为频率信号，经信号调理变换为4-20mA标准信号送入PLC模拟量数据采集通道。如图10、图11所示。

4.主要监测参数一览表（见表2）

5.监控系统功能

a.系统可快速、准确的实时监测风机设备的运行工况参数，包括温度、压力、流量、振动、电压、电流、功率、电量等重要参数，对运行监测参数进行快速分析处理，发现异常情况及时报警提示，按相关预案使隐患得到及时有效处理，防止造成重大安全事故。

b.由可编程控制器判断相关的联锁条件实现设备的联锁控制，在监控计算机上操作控制时，具有相关的操作提示和操作权限，防止发生误操作。

c.应用组态软件编译，人机界面友好，并以数字显示、模拟仪表、趋势曲线、报表等多种形式显示设备运行数据，并自动存入数据库长期保存，可以随时查阅，保证了数据的真实性、有效性，降低了人为因素造成的影响，有利于帮助制定完善的经济运行方案，及时发现故障隐患，防患于未然。

d.动态图形显示设备运行状态，具有观看方便、直观明了的特点，例如：旋转风叶、风流方向、开关分合状态、风门所处位置等。

e.系统采用工业级的计算机和模块化智能数据采集装置，满足在恶劣的环境中长期稳定可靠的不间断运行，并且一套系统可同时监控2台风机和其它附属设备。

f.监测系统可以通过数据传输网络（光纤网络）将现场与矿局域网连接起来，实现远方对设备进行控制、数据浏览等，提高了监控效率，适应全矿乃至全局的信息化管理的要求。

參考文献

[1]胡亚非.矿井主通风机风量在线监测实验研究[J].中国矿业大学学报，1996（3）.

[2]胡亚非.矿井主通风机性能在线监测与通讯系统的现场标定[J].流体机械，1997（9）.

[3]胡亚非.矿井主通风机风量在线监测新方法[J].煤矿机电，1995（4）.

[4]胡亚非.差压风量监测取压元件与稳压元件的设计[J].矿山机械，1996（12）.

[5]王家兵，胡亚非.矿井主通风机在线监测与通讯系统[J].流体机械，1998（11）.

作者简介：李志勇（1978—），男，黑龙江哈尔滨人，学士，主要从事选煤厂工业控制系统设计、工程实施方面工作。