矿井通风机监控系统的优化设计

方 玮

（河南理工大学，河南 焦作 454100）

1 矿井通风机远程监控系统设计

1.1 矿井通风机自动监控系统的功能

煤矿主扇风机是煤矿行业中非常重要的设施设备，在日常的作业生产中扮演者关键的安全防护角色，所以一定要确保主扇风机自动监管体系的可靠性与安全性。

此次设计的主控制单元包含了风机变电站实时监管系统和特征变量在线监测系统。风机变电站实时监管系统主要涵盖了十一台专用的高压型式的设备箱，设计安装有南瑞综保装置的箱子有9台，因此这就有效的保证相关的数据资料可以安全的传输到对应的控制单元上；来自风机检测采集到的震动数据、流量以及外部负载通过各种类型的传感器实时监测数据，同时将传感器的采集到的数据信息反馈至控制单元；一般情况下通过点温计实时监测和测量轴承以及电机定子的温度变化并完成数据采集工作，之后将所测得的数据传送到相关的控制单元上。风机系统工作时采集到的特征数据需反馈至集中控制中心，方便后续的实时调整与完善。

此次设计的系统，其功能涵盖以下几点：

（1）相关风机的特征量可以得到事实的测量获得，并且可以保证主单元和辅助单元在同一个时间点对数据进行实时的测量。

（2）可以对电机的电流、电压以及功率等数据参数进行实时有效的检测。

（3）可以对电机的震动数据以及风机的轴承温度等重要数据进行准确有效的检测控制。

（4）可以对哪一台风机运作及正反转变量等信息进行实时的把控和掌握。

（5）可以对风机的外在负压和瞬态流量等气动数据进行实时有效的检测把控。

（6）既可以保证定子电流的过载报警控制，也可以保证其电压小于5.1 kV电压时的声光报警。

（7）矿区可以利用网络传输将所有监测到的实时数据进行上传，并在局域网里进行共享操作。

1.2 风机监控系统的技术参数

额定电压为220 V工作温度小于50℃监测准确性指标：2.5级流量、0.5级压力、0.25级电参数、1.5级其他

根据甲方自行设定监控的参数

1.3 风机监控系统的组织结构

风机的监控系统的设置为中心监控和分层控制的组织结构，而监管体系又可以分为监管控制、长距离控制以及中央监管三层。

（1）监管测量体系。监管测量主要包括通过综保系统对风机特征量的实时监测和采集，并利用相关的数据传感器进行收集分析。

（2）中央控制体系。中央控制单元主要是基于PLC系统进行设计的，利用西门子S7-200达到对风机系统进行实时监测数据变换的目的，并且这套系统可以将监测到的数据进行采集和传输处理，并利用先进的网络技术与控制单元进行实时的通讯操作。

（3）长距离监控单元。长距离监控单元可以与调度中心建立安全可靠的联系，此次长距离监控单元中，监控软件采用Wonderware公司Intouch开发的监控程序，借助监控程序实现功能模块间的数据传输与通信联系，以此为基础确保风机系统的统一数据监管。在风机系统工作的时候，采集记录不同时间段风机的工作状态，实时监管风机的可靠性，还能够通过声光报警预防各种安全隐患，还可以根据实时采集的数据生成各种曲线以及报表。

1.4 风机监控系统的运作方式

此监控系统包括三种不同的工作模式，分别称为“就地”“远控”“自动“；通过电容屏，用户可以根据具体的使用需求加以选择不同的工作模式。下面就不同的工作模式分别详细说明。

（1）就地：就地指的是在现场的电容屏上手动选择，由于此次系统中，采用了西门子的PLC来建立与触摸屏的直接通讯，接口兼容性较好，同时系统运行状态比较平稳，因此这种工作模式是可靠性最高的。

（2）远控：远控可以从字面上加以理解。指的就是在集中控制中心通过高低压开关的切换，借助遥合、遥分的模式控制系统的运行，这种模式下，通常有个缺点就是会被所在的通讯状况及软件是否具有比较好的稳定性等因素制约，所以这种远控模式的响应时间会受到周围环境因素的制约和干扰上，鉴于此次系统中软件稳定性较好，且信息传输的介质为高速光缆，因此还是可以确保风机常态化的使用与工作，同时鉴于远程控制的特点，此次系统的便捷性也能够体现出来。

（3）自动监管：自动监管属于远程控制的模式之一，不需要人为介入，如果风机在使用过程中出现了异常，会自动启动另一台冗余设计的风机，同时根据环境因素和实际需要自行调整风量，不会由于单台风机失常而制约干扰正常生产。

此次设计的监管系统，位于集控室内，在风机控制前端上有个自动/半自动切换模式按钮，人工在电容屏上选择了远控模式时，此模式按钮才会生效，当模式达到自动开关时，风机就会根据电脑指示进入自动工作模式，这个时候控制中心以及现场的操作触屏开关都会失效不起作用，风机的特征量等数据只能通过远程操作来实现；当选择半自动模式开关时，风机随即进入半自动工作状态，此时，控制中心的利用数据终端达到远程控制的目的；当切换成就地模式时只能通过现场操作进行人工操作了。

2 矿井通风机自动监控系统硬件设计

2.1 系统的组成和特点

本次的监控系统主要以工业PLC控制为关键的技术核心进行设计的，它主要包括了传感器，信号采集设备，通讯设备及上位机等。

涵盖的技术优势包括下列几点：

（1）利用先进的计算机网络技术实现多功能化和智能化，操作系统界面的简单直接，通俗易懂，可以实时的反映风机的运作情况。

（2）模块化设计理念，相对独立却又彼此联系，冗余设计安全可靠，功能扩展可延伸。

（3）可靠性高，抗干扰能力强，数据采集精准

（4）流量监测模式独特，监测的实时性突出显著，采集数据的精度高。

（5）传感器布设合理，可靠性高，采集数据精度高。

（6）软件设计安全高效。

（7）界面友好，操作便捷，维护方便。

2.2 风机参数的监测

此次设计的监控系统核心是工业控制PLC，再辅以外围设备，借助先进的多功能程序控制，实现特征量数据的采集、传输、处理等，在终端设备上生成各种图表与曲线。

2.3 风机特征量的监测

风机的特征量包括很多参数，例如轴功率、瞬态效率及实时转速等。同样与之配套的电机的特征量也包括很多参数，例如电流、电压及功率等。相关的计算方法包括：

式中：Q—流量；A—流量测量截面积；V—流量测量截面积的平均流速；Ρ—风机全压；P2—风机出口静压；Pd2—风机出口动压；PI—风机入口静压；PdI—风机入口动压；Pj—风机静压；N—风机轴功率；Nd—电机有功功率；ηd—电机效率、由损耗分析法求得。ηc—传动效率；η—风机全压效率；ηJ—风机静压效率。

2.3 风机监控系统所需监控的输入输出量

在这套风机监控系统中，必须要注意的是实时监测风机前后轴承的温度，电机的振动数据以及定子的温度变化等重要数据。对重要数据进行实时的精准监测进而实时把控风机的工作状态，这样做的目的不仅可以实现风机的高效率运行，同时对异常噪声和报警进行准确有效的判断和评估。下面是风机监控系统的输入输出参数。

在上述参数变量表中，开关柜的电气参数是借助单个CP340以及南瑞综保进行串行通讯获取的每一个高压柜的电流、电压、功率数据以及高压柜的断路器状态等实时信息。

3 结论

在使用可靠性比较高的工业PLC和计算机网络技术共同开发的风机监控系统，利用控制中心和计算机实现实时联网和数据传输工作，并实现了实时的远程监控和控制的功能，有效的解决了传统系统设计简单，参数监测不准确，监测内容不全面等方面的缺点，根据现场情况的勘测和实际要求，文章设计的这套风机自动监控系统可以实现监测数据准确，监测精度高。监测内容全面，可以与控制中心实现互通互联，对现在的矿井生产效率起到了大大的促进作用。