矿井主通风机在线监控系统设计

2020-11-02李晓强

煤矿机电 2020年5期

李晓强

(阳泉煤业(集团)有限责任公司技术中心，山西阳泉 045000)

0 引言

主通风机是煤炭矿井安全生产的关键设备之一，当出现有害气体泄漏、瓦斯超标等事故时，风机能够排走有害气体及时补充新鲜空气，对保障人们生命安全，促使救援工作顺利进行具有重要意义，风机运行的安全性和可靠性是煤矿标准化建设的需要[1]。在线监控装置是一种用来监测各种气体、液体、温度、压力、振动等参数及设备运行状态的装置，可以用来监控主通风机、空压机、水泵等大型设备，为各种设备的安全稳定运行提供保障。

在风机监测与预警的研究方面，国内的专家学者开展了大量的研究工作，取得了一定的成果，推动了煤矿设备管理向无人值守、智能化方向发展。张瑞[2]等应用快速傅里叶变换、短时傅里叶变换等先进信号处理算法对风机的振动、转速、温度、风压等多类运行参数进行实时监测，建立了基于物联网的风机全寿命周期预警系统；周云龙[3]等基于Visual C++开发，对系统中涉及到的监测数据存储和多线程等关键技术进行了改进和代码的优化，改善了系统的实时性和稳定性；董文豪[4]利用冗余技术建立了电力风机的健康监测系统，该系统不仅实现了风机的健康管理，而且提高了系统的稳定性，从而保证了风机能够较为平衡、高效地投入生产工作；王宜祥[5]应用无线传感技术，设计了一套新型矿用风机故障诊断系统，可快速定位风机故障，缩短预警响应时间，提高生产的安全性。

1 系统结构

QFJK-V型风机实时监控与预警系统结构清晰，分为上位机、下位机部分和现场设备3部分，整体结构图如图1所示。

图1 整体结构

上位系统使用工业级控制计算机，下位则由西门子PLC、中间继电器、电力采集模块组成，安装于PLC防爆柜内。现场设备由压力变送器、振动传感器、PT100热电阻、电压电流互感器、控制按钮等执行机构组成，安装于设备壳体、配电柜和操作台。系统相关技术参数及传感器精度如表1所示。

表1 技术参数及相关传感器精度

2 系统主要功能

本系统利用压力变送器、振动传感器和温度传感器等仪器可实时监测电动机(前、后)轴承温度和电动机定子绕组温度，并在超限时报警；系统可对风机运行过程中以下关键参数进行提取：静压、全压、风速、风量、效率；风机电动机的电气参数：电压、电流、有功功率、功率因数；实时监测设备振动情况，系统各参数监测范围如表2所示。

表2 系统参数监测范围

对风机实施就地、远控，控制风机的启闭；通过就地或远程控制实时监测并控制设备进行抽风或反风作业；实时监测并控制风门或蝶阀的开启与关闭，并控制风机的电控设备，在对空风门和检修风门的配合下可实现不停风倒机；同时可调节叶轮转速，实现根据不同通风距离实现相应供风量的目标。

3 工作原理

3.1 实时在线监测温度

风机在旋转过程中轴承和定子和发热，温度过高会影响电动机的使用寿命，也对风机的稳定运行带来不利影响，一旦电动机因温度过高而损坏会造成风机停转，井下工作面通风停止，瓦斯浓度升高，严重威胁井下人员和设备的安全。因此，实时监测电动机温度是否异常，对保障风机的安全运行具有重要意义。

采用多个温度传感器对电动机的定子和轴承进行监测，传感器内置热敏电阻，电阻型号为pt100，监测轴承温度的传感器一般安装在电动机前、后轴承端盖的圆孔内，而监测定子温度的传感器则需预装在电动机的定子绕组内部，一般在设计制造电动机时进行传感器的预置。

3.2 在线监测气体压力

主通风机采用抽出式通风，其压力分为全压、静压和动压，此处测量的压力为风机的全压。风机的压力决定了通风的距离，若压力过小则不能保障正常的通风需要。

监测气体压力的工作原理如图2所示，在风机的风筒内设置管道，风机运行时流经风筒内的气流通过管道将压力传送至压力变送器。

图2 压力测量原理

它可将收到的压力信号转变为电流信号，一般为4～20 mA，电流随风筒内气流压力的改变而变化，电流信号经过模/数转换模块(A/D转换模块)处理后转变为电脑能识别的数字信号，并通过显示器在电脑软件的监测页面中显示出来，从而实现对风机压力的实时监测。设定压力的正常使用范围，当检测到风机的压力异常时自动预警系统启动，快速定位故障来源和故障类型，并向控制室报警。当短时间内无法解决问题时，可通过控制系统启动备用风机，实现主备用风机的切换。

3.3 在线监测设备振动

风机为旋转类机械，在工作过程中会产生振动和噪声，振动不可避免，但振动过大会损坏设备，降低设备的使用寿命。另外对旋风机的两级叶轮产生的振动过大，可能造成叶轮与风筒发生碰撞，造成叶片碎裂，进而导致风机停止供风，井下局部地区瓦斯浓度升高，因此，监测和控制风机的振动幅度处于合理的范围内，对保障风机的稳定性具有重要意义。

监测风机振动的原理与监测风机压力的原理相似，两者都是通过变送器先将振动位移或压力转换为电流信号，然后经过A/D转换模块加工处理后转变为电脑能识别的数字信号，在经显示器在控制室中将振动的幅度显示出来。当风机两叶轮的振动幅度超过一定数值后，系统自动预警。风机振动监测原理如图3所示。