煤矿主通风机中在线监控系统的设计及应用研究

郭建华

（山东省三河口矿业有限责任公司，山东 济宁277605）

0 引言

煤矿是推动国家快速发展及综合国力提升的重要能源，各电力发电厂基本是利用煤炭资源进行电力发电，为此，煤矿企业加大了对煤炭资源的开采力度。由于井下环境的复杂性，整体通风性能较差，长期如此，会使井下产生粉煤灰和瓦斯的聚集，一旦遇到火花，极易发生爆炸[1]。因此，在矿井建设中，安装了主通风机设备，用于将外部新鲜空气输送至井下开采区域，将污浊空气排出至矿井外部，以保证整个矿井中具有较好的空气质量[2]。但在风机排风过程中，经常会夹杂着较多的灰尘或碎石，导致主通风机运行一段时间后，极可能出现电机异常振动、发生异响、轴承温度过高等现象，这对保障井下空气质量及作业安全构成了重要威胁[3]。采用先进的自动化控制技术，对矿用主通风机运行时进行实时监控，已成为当前提高主通风机性能的主要方向。为此，在分析矿用主通风机结构特点情况下，开展了通风机运行时的监控系统设计研究，并对该监控系统进行了实际应用测试，验证了该监控系统的可行性，其借鉴及应用价值较大。

1 主通风机结构及监测点分析

根据矿井中通风机的用途，将通风机分为了主通风机和局部通风机，而抽出式通风主通风机则主要安装在矿井回风井口，从矿井内抽出乏风。目的是向井下各工作场所连续不断地输送适量的新鲜空气用以冲淡并排出从井下煤岩层中涌出的或在煤炭生产过程中形成的一切有毒、有窒息性、可燃性、易爆性的气体以及粉尘和水蒸气；调节煤矿井下的气候条件，创造良好的生产环境，保证井下机械设备的正常运行，保障井下作业人员身体健康和安全，使生产作业人员充分发挥劳动效能和促进劳动生产率的提高，达到安全生产目的。目前，矿井中应用较多的是轴流式主通风机，其结构主要由集流器、整流罩、电动机、基座、叶轮、扩压器等组成，其中，整流罩则与集流器一起，形成通风机的风道，以提高通风机的流量和通风效率[4]。同时，扩压器则主要是将通风机中的动压转变为静压，以降低主通风机的工作噪声，提高通风效率。为进一步开展主通风机监控系统的设计研究，选用了FB CD Z型主通风机，该通风机具防爆、噪声低、通风效率高等特点[5]。

通风机运行时，为尽早发现设备的运行故障，实现监控系统的实时检测，可通过对主通风机中电机振动、轴承温度等参数进行实时监测[6]。其中，主通风机中的温度检测点可设计在进风口轴承、中部轴承、出风口轴承上，以实现对通风机作业时温度数据采集；振动检测点设计在电机和风机2个部件上，以分别实现对部件水平和垂直方向的振动情况监测，温度及振动监测点分布图如图1所示。

图1 主通风机中温度及振动监测点分布图

2 监控系统升级设计

根据矿主通风机的结构特点及监测点的分布情况，进行了监控系统的设计研究，监控系统总体框架图如图2所示。

图2 主通风机监控系统总体框架图

所设计的监控系统结构主要由路由节点、传感器节点、控制器、监测主机、协调节点等组成，其中，传感器节点主要负责对主通风机上温度、振动等参数进行数据采集；路由节点主要完成所采集数据的远程传输及无线接收。系统设计采用W5500以太网芯片实现网络连接，网络通信协议采用TC P/I P和RS485通信接口，能有效保证所传输信号及网络的稳定性。振动器传感器选用H S421型号，温度传感器选用P T100型号，监控系统的无线通信模块采用CC2530型芯片，能保证整套系统的无线通信连接可靠性。监控系统运行时，首先通过前端的温度及振动传感器将采集的数据信号传输至C P U处理器把电信号转换成数字信号，通过处理器对数据进行分析、逻辑判断及故障诊断，然后将信号传输至显示屏上实时显示通风机运行状态及相关参数。当通风机出现故障时，监控系统能及时发出对应的报警提示，以便人员可快速对故障进行排除。

3 监控系统部分分系统设计

3.1 关键传感器选型设计

结合前文分析，在整套监控系统中，需对主通风机中电机及轴承进行温度及振动情况实时监测及数据采集，需匹配相应的传感器。因此，经过市场调研，振动传感器选用H S421型振动加速传感器，其工作电压DC24 V，输出信号为4～20 mA，频率范围2H z-10 k H z，能实现高精度的振动检测要求；温度传感器选用市场上成熟的P T100型号，其核心的感温元件采用的铂热电阻，能随温度的变化而发生变化，该传感器的温度检测范围为0℃～100℃，工作电压DC24 V，输出的信号为电阻值，能满足主通风机中电机、轴承的温度检测需求，其实物图见图3。

图3 P T100温度传感器

3.2 电压转换模块设计

由于所选用的传感器及监控系统中的其他元器件均采用的是低压直流电源，包括传感器中的DC24 V，差动放大器中L M324芯片使用的DC15 V，以及其他模块的DC3.3 V，故需设计电压转换电路进行电压转换。首先设计了变频器，能将外部的AC220 V转换为DC24 V，经过选用的MDA（M）5-24D15稳压芯片，能将DC24 V转换为DC15 V；同时，采用的L M2576T-3.3电源转换芯片，能将DC15 V电压转换为更低的DC3.3 V，以供其他芯片模块使用。在电压转换模块中也配备了电容、电阻等元器件，以实现对整个电路的有效转换和保护。所设计的电压转换电路如图4所示。

图4 电压转换电路图

3.3 监控系统软件部分设计

在此监控系统中，为实现整套系统的正常运行，需对系统的软件部分进行设计。监控系统软件采用B/S系统网络构架，利用MATLA B软件进行软件程序的编程，程序语言采用H T ML进行开发，控制系统采用Win10操作系统，软件中网络数据库采用AS P中的AD O组件和数据库进行调用完成。软件部分主要包括了登录界面、通风运行参数及状态的主界面、历史数据曲线、报警界面、故障诊断分析等，不仅能使主通风机的运行状态及参数通过主界面进行实时显示，也能针对风机出现的温度过高、电机振动故障等异常情况及时发出报警提示，此时系统将自动启动相关控制命令，人员可通过显示及报警内容对风机进行维修管理。软件部分的框架图如图5所示。

图5 主通风机监控系统软件部分框架图

4 监控系统应用评价

将监控系统集成在FB CD Z型主通风机上，进行了为期近6个月的运用测试。测试过程中，监控系统运行正常，能实时将主通风机温度参数、振动情况等信息显示在主界面上，且数据传输速度相对较快；同时，当检测到温度及振动幅度超过设置的报警上限时，监控系统能及时发出相应的报警提示，在温度或振动幅度降低后，系统报警则自动取消。另外，通过主界面也能将通风机的运行故障进行显示，并发出相应的提示声，人员可根据故障类型及位置，快速对故障进行排除，主界面显示图如图6所示。据操作人员反馈，系统运行期间，主通风机的故障率大大降低，井下的通风效果也明显增强，降低了维护人员的作业强度，监控系统得到了工作人员的一致认可，由此，验证了该监控系统的可靠性及可行性。

图6 监控系统运行主界面图

5 结论

对矿井主通风机运行状态的实时监控，提高通风机的运行安全，已成为保证井下作业安全的重要环节。为此，分析了主通风机的结构特点，重点对通风机上监测点进行了布置设计，开展了矿用主通风机监控系统的总体设计及部分分系统设计研究，通过对监控系统在FB CD Z型主通风机上的现场应用测试得出：所设计的主通风机监控系统运行更加稳定可靠，能快速对通风机运行状态、参数及故障情况进行实时监控和显示，降低了通风机的故障率和作业人员的劳动强度，得到了人员的一致认可，这对提高矿井中主通风机的使用寿命及井下作业安全具有重要意义。