煤矿通风机在线监控系统应用研究

2022-01-05郭亚涛田新旗

能源与环保 2021年12期

郭亚涛，田新旗

(河南永锦能源有限公司，河南禹州 461670)

煤矿开采过程中，矿井内部会涌现出大量瓦斯以及其他有毒有害气体，对煤矿开采安全构成了严重威胁[1]。煤矿通风机的作用是向矿井内部输入新鲜空气，同时将矿井内的有毒有害气体排出井外，优化矿井工作环境，使之达到煤矿安全生产规范要求[2]。通风机在煤矿生产过程中的安全性是不言而喻的，一旦通风机系统出现故障问题就会威胁矿井生产安全。随着煤矿开采朝着纵深方向发展，对通风机系统的安全性要求越来越高，通风过程中风量过大或过小、通风量过多或过少都会对矿井安全造成一定的影响，严重时会引发严重的煤矿生产安全事故[3]。基于此，有必要设计研究煤矿通风机在线监控系统，对通风机系统运行过程状态进行实时采集监控[4]，以便及时发现煤矿通风机运行过程中存在的安全隐患，并采取措施进行处理，将小隐患扼杀在萌芽阶段，避免引发更大的安全事故。本文结合煤矿通风机实际情况，设计研究了一种在线监控系统，并将其应用到煤矿工程实践中，取得了很好的效果，值得其他煤矿企业借鉴。

1 煤矿通风机概况

1.1 矿井基本情况

某矿井每年的产煤量达到了220万t，井田的长度和宽度分别大约为8 km和2 km，整体面积大约为15.62 km2。经过实践探测发现矿井的相对瓦斯涌出量和绝对瓦斯涌出量分别达到了13 m3/t和46.8 m3/min，对比《煤矿安全规程》可知该矿井属于高瓦斯矿井。目前矿井总共有2个采区，分别在东部区域和西部区域，2个采区分别设置有主通风机。本文主要以东部区域的主通风机为研究对象。

1.2 主通风机概述

为了确保煤矿开采过程的安全，主通风机系统使用了2台通风机(1用1备)。2台通风机的型号均为G4-73-11.25D，属于离心式通风机，额定电压为1 140 V，功率为315 kW。正常运行时，通风机的旋转速度可以达到730 r/min，提供的风量为90m3/s，全压为1 200～4 200 Pa。

2 在线监控系统整体方案设计

2.1 方案设计

在线监控系统的主要作用是利用检测装置对煤矿通风机运行状态进行实时监测，并基于通信系统传输到上位机中，上位机对监测数据进行分析评判，从而发现通风机系统运行中存在的安全隐患。需要监测的数据主要包含：①风机运行工况。风机振动情况、风速、风量、全压等；②电机运行工况。定子绕组和轴承的温度、电压、电流及功率等；③开关量数据。风门的开启状态、电机旋转方向、通风机的启停状态等。一旦发现以上状态数据存在异常时，系统会向外发出声光警报[5]。

2.2 整体框架

通风机在线监控系统作为保障设备安全运行的重要措施和手段，需要同时对通风机的多种状态数据信息进行实时监测[6]。在充分考虑通风机现场实际情况的基础上，最终确定分别以PLC控制器和DIP8011软件系统作为硬件核心和软件核心，再配合使用各种本质安全型隔爆传感器以及工业计算机等仪器设备，构建完整的监控系统。通过传感器采集得到的各种模拟量信号，基于模拟量输入和输出模块可以将其传输到工业控制计算机中，各种开关量信号同样需要传入到PLC控制器中进行分析和处理。PLC控制器获取相关数据后，一方面会将其存储到数据库中，另外还需要将其传输到LED显示器中进行实时显示。如果经过控制器分析处理后，发现通风机设备存在安全隐患或故障问题，则会发出声光警报。工业控制计算机通过UPS不间断电源进行供电，确保紧急情况下监控系统仍然能够正常运行。在线监控系统整体方案框图如图1所示。DIP8011软件系统安装在工业控制计算机中。

图1 在线监控系统整体方案框图Fig.1 Block diagram of the overall scheme of the online monitoring system

从图1中可以看出，煤矿通风机系统中，包括通风机、变频器电控柜、蝶阀等都是需要监测的对象，因为这些硬件设施会对系统运行产生比较重要的影响。这些设备的状态信息，通过传感器和变送器等进行采集、传输，最终全部转换成为4～20 mA的电流或者1～5 V的电压信号。通过A/D转换器将其转换成为数字量信号后才能够被PLC控制器接受并处理。

3 监控系统硬件部分设计

3.1 检测单元的选型设计

(1)温度传感器。采用WTP-270型铂热电阻传感器对温度进行检测，测量温度在-200～420 ℃，输出的模拟量信号在0～5 V DC范围内变化。温度传感器主要是对电机的绕组和轴承温度进行检测，每台电机需要使用5支传感器(绕组部位安装3支温度传感器，2个轴承部位各安装1支传感器)。共有2台通风机，每台通风机配备有2台电机，共需要使用20支温度传感器。

(2)风压传感器。由于通风机输出的风压流畅不是非常稳定，测量时存在一定难度。研究基于局变环节压差法对风压进行检测，风压传感器基本原理流程如图2所示。其中，引压装置和滤配装置都安装在通风机风道内的局变环节。压差变送器安装在配电柜中，型号为SMP2088，该设施具有较高的精度及灵敏度，测量范围较广(5～10 kPa)。

图2 风压传感器基本原理流程Fig.2 Basic principle flow chart of wind pressure sensor

(3)振动传感器。煤矿生产环境比较复杂，通风机工作时出现振动的原因是多方面的，难以根治。选用的振动传感器型号为YY950，对设备运行时X和Y方向上的振动情况进行检测[7]。正常工作时的温度在-30～70 ℃，灵敏度和线圈最大位移分别为19.7 mA/mm/s和1.5 mm。根据煤矿生产安全规范要求，通风机工作时最大振动幅度不得超过7 mm。如果检测振动幅度超过了7 mm，系统会立即发出声光信号，提示工作人员立即处理，消除安全隐患。为了更好地对通风机振动情况进行检测，还配套使用了SLW-3004型位移变送器，可以对设备运行时的振动频率及其位移量进行准确检测。

(4)电量信号检测装置。基于R4233型智能综合电参数采集模块对通风机电机运行过程中的各项电参数，包括功率、三相电压、三相电流等进行实时采集[8]。该采集模块可以通过串口通信的模式与PLC控制器实现数据信息传输，支持多种协议模式，包括MODBUS协议模式和ASCII码协议模式，显著提升了该检测装置的环境适应性。R4233型智能综合电参数采集模块原理如图3所示。

图3 R4233型智能综合电参数采集模块原理Fig.3 Schematic diagram of R4233 intelligent comprehensive electrical parameter acquisition module

3.2 PLC控制器的选型设计

PLC控制器目前已经发展非常成熟，市场上有多种类型可供选择。但S7-300系列PLC控制器在工业领域有非常好的应用效果[9]，因此选用该型号。选用的模拟量输入模块和输出模块型号分别为6ES7 331-7KF01 0AB0和6ES7 332-5HD01-0AB0。结合现场实际情况，在线监控系统共需要输入的模拟量数量为50个，而PLC控制器中每个模拟量输入模块只有8个通道，所以共选用了7个模拟量输入模块，能够满足实际使用需要。系统中需要使用的模拟量输出通道为2个，使用1个输出模块即可。S7-300型PLC控制器模拟量输入模块的电路结构示意如图4所示。

图4 模拟量输入模块的电路结构示意Fig.4 Schematic diagram of the circuit structure of the analog input module

控制器中选用的开关输入模块和输出模块型号分别为6ES7 321-1BL00-0AA0和6ES7 322-1BH01-0AB0。其中，开关输入模块的主要作用是将开关量信号转换成为“0”和“1”电平信号，这样才能够传输到CPU模块中进行处理。系统中的开关量输入信号数量为24个，使用1个模块就能满足要求。开关量输出模块的作用是将PLC控制器输出的电平信号转换成为数字量信号，同时还可以对信号进行放大，同样只需要1个模块即可满足现场需求。

CPU模块是PLC控制器中的核心部分，其性能好坏直接决定了PLC控制器的质量，选用的CPU模块型号为315-2 DP，其具有强大的运算能力，可以同时进行多通道运算。电源模块的作用主要是对PLC控制器中所有的模块进行供电，选用PS-307-1KA01-0AA01型电源模块，可以将外部输入的电压转换成为24 V直流电压。通信模块选用CP343型，基于该模块可以实现以太网通信以及与其他硬件设施的连接通信。

4 监控系统的软件部分设计

软件程序部分的质量会对整个系统运行的稳定性产生决定性的影响。以下主要从PLC软件程序和DIP8011软件系统2个层面进行详细介绍。

4.1 PLC程序设计

在STEP7软件中完成PLC软件程序设计[10]。基于模块化思想对软件程序进行设计，将整个在线监控系统的功能进行划分，针对不同的功能分别进行程序设计，这种设计思想不仅便于软件程序的实现，同时也有助于后期对程序的维护。通过模块化设计可以对需要采集的系统运行状态数据信息进行分类采集，并分类输出不同的结果。软件程序包含一个主程序和若干个子程序，通过主程序对子程序进行调取。PLC软件主程序流程如图5所示。

软件开始运行后，系统通电首先对上周期运行的数据进行清零处理，为此次在线监控工作做好准备工作，然后开始程序的其他各项操作。从图5中可以看出，在主程序的运行过程中，会不断地调取各种子程序。比如，确定启用系统的监控和监视功能后，主程序开始调用功能模块子程序FC1、FC2、FC3。其中，子程序FC1的作用是完成上位机相关数据量的显示；子程序FC2的作用是对两台通风机及对应的2个蝶阀外围动作进行逻辑控制；子程序FC3的作用是将采集得到的状态数据信息传输到上位机中。另外，在风机启动以后，还会调用FC95、FC100和FC105子程序，其主要作用是对通风机运行过程中涉及到的模拟量数据信号进行采集、逻辑比较、执行输出。

图5 PLC主程序流程Fig.5 PLC main program flow chart

4.2 DIP8011软件系统

该系统基于客户期器/服务器的结构模式，采用的是比较常用的SQL数据库对数据进行存储，整个系统主要由多个子系统构成。

(1)配置子系统。针对整个系统以及数据采集网络进行组态是配置子系统的主要任务。配置子系统的主要工作流程如图6所示。

由图6可知，需要配置的主要包括用户管理、系统设置、地图管理、数据字典定义等部分。①用户管理最重要的是对不同级别的人员划分不同的权限，权限越高的人员使用的功能越多；②系统设置主要是对系统的通信、串口、进程等方面进行设置，比如可以对数据采集的周期、延迟时间等进行设置；③在地图管理模块中，可以向系统中导入矿井地图，并且设置监控点，可以在系统中对矿井地图进行编辑；④数字字典定义的作用是对数据采集设备相关的信息进行设置，比如可以设置设备的类型、处理方式等；生成储存表的作用主要是对采集得到的数据信息进行分类，并将其存储到归类的数据表中，比如有电力参数储存表、振动信息储存表等。根据配置子系统可以充分结合矿井实际情况对整个在线监控系统进行有效的配置，使之更好地适应现场情况。

图6 配置子系统的主要工作流程Fig.6 Main work flow chart of the configuration subsystem

(2)数据处理与查询子系统。软件对采集到的数据信息进行存储，用户随时可以将存储在数据库中的状态数据信息进行提取、查看，并且可以对数据进行简要处理，使之以可视化的形式呈现。可以查询的信息包括通风机系统运行实时状态数据信息、某一个参数随时间的演变情况、故障或者安全隐患报警信息等。

(3)地图管理子系统。软件中地图管理子系统的主要作用是将采集得到的通风机运行状态数据信息以可视化的形式进行呈现。

5 应用效果评价

本文所述的煤矿东部区域矿井主通风机，之前没有使用在线监控系统，主要通过人工方式对通风机进行巡查和检修。无法实时掌握设备运行状态信息，在第一时间发现存在的安全问题，严重制约着通风机系统运行的稳定性和可靠性。为了验证煤矿通风机在线监控系统的可行性，基于上文所述的设计方案，将其应用到煤矿工程实践中。截至目前，在线监控系统在煤矿中已经连续运行1年时间，发现系统整体运行良好，整个运行期间没有出现明显的故障问题。基于监控系统可以对通风机运行过程中的风速、风量、振动、温度等关键运行状态信息参数进行监控。基于上位机监控大屏，工作人员可以实时掌握通风机运行状态。通风机系统在运行期间出现了多次声光警报，主要问题集中在通风量过小、轴承温度过高等，为工作人员及时发现问题并解决问题赢得了宝贵时间，有效保障了煤矿安全。总之，煤矿通风机在线监控系统的成功实践应用，为通风机设备日常的维护保养、检修等工作提供了很好的数据支撑，显著提升了设备运行的稳定性和可靠性，降低了通风机系统的日常运行维护保养成本，维护成本可以降低30%以上，取得了良好的经济效益和安全效益。