煤矿通风机自动监控系统设计及应用

冯 亮

（晋能控股煤业集团大斗沟煤业有限公司，山西 大同 037031）

引言

煤矿井下采掘施工过程中会产生大量的粉尘以及有害气体，主要通过通风系统进行排除，同时通风系统可为井下作业人员提供新鲜风流。通风机是通风系统中重要通风设施之一，一旦煤矿井下通风机出现故障，严重威胁着煤矿安全生产。传统煤矿通风机主要通过人工方式进行检修维护，即人工定期巡检、人工定期检修维护，但是该方式自动化水平低、劳动作业强度大，而且对通风机故障检修效率差，无法满足煤矿稳定通风需求。

本文重点介绍了一种以PLC技术的风机自动监控系统，该系统可实时对煤矿通风机运行工况进行监控，对各类机械、过热故障进行报警，从而有效实现了地面对井下通风机远程检修，提高了煤矿井下通风系统可靠性及稳定性。

1 远程监控系统总体结构

1）风机远程监控系统主要由采集装置、控制中心、扩展模块、变频器、通信系统、转换模块、中继器以及断路器等部分组成；其中采集装置主要由空气压力变送器、瓦斯传感器、风机轴承温度传感器等部分组成；控制中心主要由PLC控制器、远程上位机等部分组成；扩展模块分为EM231扩展模块和EM235扩展模块[1-2]。

2）信息采集装置将风机运行过程中的风压、轴承温度以及周围环境瓦斯浓度进行实时采集，然后发送至PLC控制器内进行处理，通过PLC控制器分析处理后，判断风机故障类型，同时将收集的数据通过现场总线传送到远程监控上位机，上位机通过专用的组态软件对风机运行工况进行直观显示；其中PLC控制器结构如图1所示。

2 系统硬件选型

2.1 PLC控制器

图1 PLC控制器控制示意图

1）PLC控制器主要由CPU、存储模块、输入与输出接口以及供电电源等部分组成，通风机远程监控系统中PLC控制器选择时必须考虑成本费用、数据采集类型、容量以及使用的I/O点数等；大斗沟矿对进行通风机安装的远程监控系统中PLC控制器型号为西门子S7-2550型，该类型的PLC控制器主要具有升级简单、便于编程、安全性能强、抗干扰能力强度等优点，在各个领域中被广泛应用[3]。

2）系统初始化后按照先后顺序对各类模块进行扫描，将采集的各类信息进行分析处理，然后利用温度判断可能存在电机磨损、轴承变形等故障情况，利用供电参数判断电缆破损、电机过载缺相等故障。

3）最后PLC控制器将判别结果上传至上位机并通过界面进行显示，并进行自动保护，防止风机发生重大事故，通过系统程序设置中断程序接口，实现快速反风的目的[4]。

2.2 转换模块

转换模块是系统中不可缺少的一部分，主要对各种数字以及模拟信号进行转换，同时各类传感器采集的温度、压力等模拟量同样通过转换模块进行转换，并以数字形式存储到PLC控制器内，监控系统中主要采用EM231模拟量输入输出模块对温度传感器采集的数据进行转换，采用EM235模拟量输入输出模块对瓦斯浓度以及压力等数据进行转换，系统主要利用温度变送器进行温度采集。

2.3 变频器

风机自动监控系统中利用电机与变频器相互配合实现对风机在运行过程中的节能增效，同时对风机进行变频调速，变频器投入使用后有效解决了传统串电阻调速时出现冲击力大、能耗大等技术难题，该风机自动监控系统采用的变频器型号为MicroMaster440，额定电流为75 A，该变频器具有矢量控制性能高、过载保护功能强等优点，过载承受强度达2倍以上[5]。

3 软件设计与实现

3.1 PLC控制器控制软件

PLC控制器控制软件主要采用STEP7-Micro/WIN编程设计的，控制软件可对系统实现以下功能：手动控制功能、自动控制功能、温度自动监控功能、压力自动监测功能、瓦斯浓度自动监测功能以及风机故障自动监测功能，具体控制流程如图2所示。

图2 PLC控制软件控制流程示意图

3.2 主机系统软件

主机系统软件主要实现对煤矿井下通风机井下远程监控，并与PLC控制器进行实时通信，主机系统软件采用的是西门子公司与微软合作开发的WinCC组态软件，该软件可将井下各类传感器收集的数据以动画模拟的方式进行直观显示，从而便于操作人员直观控制，并利用图像编辑器高效快捷模拟处井下通风机运行画面；通风机自动监控系统通过主机系统控制，实现了井上下通信以及设备自动远程控制，实现了通风机无人值守的目的。

主机系统通过组态软件实现显示井下风机工况画面，操作界面简洁，内容齐全，操作人员可远程对井下通风机各类参数井下观察和监测，并可实时查看通风机供风风量、供风风速、供风压、风机电机参数、电机轴承稳定以及风机周围环境有害气体浓度等；同时主机系统可对风机运行参数以报表的形式进行储存、打印，从而便于操作人员查阅。

3.3 通信系统

通风机自动监控系统中采用的通信系统主要采用Modbus通信协议，设置的波特率为4 600 bit/s，通信系统主要包括外界温度巡检子程序和采集供配电开关参数子程序，通信系统及时将各类传感器收集的数据信号进行风类、填充，并采用通信收发程序块将数据信号进行传输；同时通信系统可利用CP343以太网通信模块，与网路监控分站实时连接，从而实现无线数据传输以及多系统集中控制等。

4 实际应用效果分析

2021年2月大斗沟煤矿对5201巷道局部通风机各安装了一套通风机自动监控系统，截至2021年8月通过6个月实际应用效果来看，局部通风机安装自动监控系统后，共计检测到风机故障6起，且及时报警井下处理，局部通风机故障率由原来的11%降低至5%以下，提高了风机安全性能；同时风机安装该系统后风机检修维护人员由原来的3人减少为1人即可，大大降低了劳动作业强度。