矿井主扇风机实时监测系统设计

李鹏飞

（山西长治三元晋永泰煤业有限公司，山西 长治 047100）

引言

矿井主扇通风系统设计是整个矿井设计内容的重要组成部分，是保证安全生产的重要措施。矿井总回风就是依靠主扇通风机的动力将新鲜空气顺着通风路线源源不断地输送到井下，以满足采掘工作面、机电硐室、运输巷道、仓库等地点的需要，同时把带着各种粉尘、有毒有害气体、各种废气的浑浊空气抽出到矿井外面。通风作为矿井“一通三防”的重要手段，一直都是矿井建设的首要工作，不论是从部门（通风处）设置，还是领导岗位（通风副矿长或者安全副矿长）设置，都能看出其重要程度。

随着矿山开采年代的久远，巷道长度不断延伸，工作面数量不断增多，井下巷道网络变得错综复杂，对于矿井通风要求也就越来越高，从而更需要通风监测系统具备大规模节点监测以及远距离数据通信的能力[1]。

物联网技术在矿山领域不断发展，实现智慧矿山建设的目标也越来越近，矿山安全监控系统技术在“十三五”期间得到了飞跃发展的机遇，这期间工业以太网技术、数字通信技术、先进传感技术、远距离供电和传输技术，以及抗干扰技术等都取得了突破性的提升。基于这些先进技术的发展，可以在工程应用上扩展到其他的领域，由此本文正是在矿井主扇风机的无人值守监测管理方面，提出了新的应用方案[2-3]。

1 主扇通风机监测系统的应用现状

伴随“中国制造”名片的打响，我国机械加工水平越来越高，矿井通风机的制造性能也实现了高质量的发展。以我国目前使用最广泛的大型主扇FBCDZ 系列大型矿用防爆型主通风机为例，实际的运行最高装置静压效率可达到86%，此种主扇的转速范围为730～2 930 r/min，抽出风量范围为4.4～600 m3/s。其特点是：主扇通风机一、二级主机由两台电机及叶轮组成，每台电机轴伸端直接安装叶轮，两叶轮互为反向旋转，组成对旋结构。两级叶轮既是工作轮又互为导叶，避免了传统风机导叶部分和电机与叶轮之间传动装置的能量损失。因此对旋式主通风机可获得较高的装置静压效率和节能效果。

随着主扇通风机技术的不断提高，监测技术却还停留在老旧监控技术的基础上，传感器大多数采用频率信号传输，抗干扰风机变频干扰能力也比较弱，还有主信号传输网络采用传统的基带、FSK、ASK 等制式信号，传输速率慢，已经不符合目前智慧矿山建设的发展趋势。目前用户需要的主扇通风机监测系统必须是具有数字化传输，检测数据全面，测量精准，抗干扰能力强，可与其他监测系统融合，具有大数据分析处理能力的特点。

根据《煤矿安全规程》的要求，主扇风机的主要性能需要每5 年进行一次测定，而在运行期间的主扇风机实时监测系统所有汇集的监测数据，对此次测定具有非常重要的参考价值。

2 系统设计方案

本文设计系统硬件框图如下页图1 所示，系统由地面设备和井下设备两部分组成，井下设备部分是由分布式检测单元组成，由其完成采集各个被检测节点的物理参数；检测单元将检测的物理量参数通过RS485 总线传到综合监控分站，监控分站起到传输、供电和控制作用，完成检测数值的实时显示，通过万兆交换机组成的以太环网上传监控主机并进行输出控制；地面监控主机则是完成大数据收集、分析处理、数据管理、报表和曲线管理，通过互联网交换机发送给其他数据服务器。当系统检测到某个检测值超过了安全阈值时，系统通过地面语音报警音箱发出相应情况的语音报警和光报警[4]。

图1 系统框图

系统具体的研究内容包括以下几个方面：

1）传输性能方面：检测单元通过RS485 总线型方式与监控分站进行通信，然后由监控分站主通信端口接入矿井的工业以太网环网平台，最后上传至主监控计算机，全程采用数字信号传输，符合数字矿山的建设要求。

2）供电性能方面：采用隔爆兼本安型监控分站，由监控分站自身的本安电源输出为各个检测单元供电，利用4 芯矿用电缆连接，省掉单独电源供电的烦琐，其他设备由非本安的交流电源供电。

3）检测单元模拟量参数：利用风量（风速）传感器、温湿度传感器、轴温传感器、压力传感器、振动传感器、速度传感器等检测主扇风机运行的各项参数。

检测传感器部分采用数字式智慧传感器，传感器接通监控分站后，系统能自动识别出传感器的类型、测量范围、报警阈值、断电值、传感器地址等参数，并与之相匹配。

4）利用VC++平台编辑的上位机软件，实时显示每台风机的开/停运行状态，风机工作电流、温度、风量、转速等监测数据，并保存在数据库中，形成历史大数据，再根据安全规程的要求和使用经验，对某些测量节点进行安全阈值的设定。

3 系统硬件组成

3.1 多单元采样技术

参照《煤矿安全规程》和《AQ 1029—2019 煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范》的要求，矿井的主通风机就有了如下的模拟量需要检测。

1）在总回风巷道的测风站设置风压差原理的风速风向传感器，既可以检测总回风巷道的风速（可换算成风量Q，计算见式（1），还可以监测出风的流动方向。如果条件允许，可以采用5 点采样平均法的方式检测风速。由于通风巷道内同一横断面上不同点的风速和风温有很大的差异，所以对巷道测风站横断面5个点(东北、西北、西南、东南、正中)同时取样，然后取其算术平均值作为该点的风速值。

式中：Q 为风量，m3/s；V 为风速，m/s；A 为巷道截面积，m2；T 为时间，s。

2）主通风机的风硐内应设置风压传感器，其采用的是电容式微差压变送器，通过传感器ARM芯片转换成电信号输出给监控分站。

3）每台主通风机的电机需要安装振动传感器和速度传感器，每个轴承安装2 个电涡流传感器测量轴振，1 个速度传感器测量瓦振。

4）温度检测单元分为环境温度和轴温两种，环境温度可以采用DS18B20 测温元件，轴温传感器采用PT100 铂热电阻检测电机轴承的摩擦温度，而且采样点可以取多处，由温度巡检仪作为二次仪表进行采集和转换。

5）最后在配置上监测风机运行状态的开停传感器和工作电流传感器，以此可以实时监测到主扇风机的工作状态和工作电流是否正常。

3.2 监控分站技术

井下隔爆兼本安型监控分站是通风监测系统的中枢，它是集成通信传输分站、断电器、本安电源、声光报警器于一体的综合分站，主要承担各种监测值采集和汇总通信传输处理、实时应急控制、本安直流电源供电、声光报警、液晶显示等责任。

监控分站的输入端口采用了32 路RS485 通信接口，可以接入32 路各种模拟量和开关量信号数据，还可以通过开关量扩展器可以将1 路485 信号扩展出8 路0 mA、1 mA、5 mA 电流型（三态：故障/关态/开态）开关量信号。信号之间通过GP785 光电耦合器的隔离，消除了共模电压影响，抑制了信道上的脉冲干扰信号，提高信噪比。

监控分站的CPU 是ARM单片机，通过多路选择器（8 选1 开关）定时巡检8 路信号，对汇总的数字信号进行处理，进而用得到的控制量去自动控制断电器动作，从而实现对井下机电设备的工作控制。分站可以接入4 台受8 路信号控制的断电器。

监控分站的主通信采用了三种数字信号传输方式，分别是RS485 总线方式、TCP/IP 工业以太网电口传输方式、100 Mbit/s 光纤传输方式。前一种方式可以进行分站之间的级联，节省交换机光纤接口的使用，后面两种方式是接入矿井工业以太网环网的，并且传输距离均可达10 km 以上[5]。

监控分站可提供5 路24 V 本安独立电源输出，前4 路本安电源中每路电源可以提供给4 模4 开的本安设备使用，最高供电距离可达6 km 以上，第5 路电源是外接了4 台断电器，最高供电距离为2 km 以上。在外接交流供电断开的情况下，最大供电时间可以达到5 h 以上。

3.3 交换机

作为通风监测系统而言，数据量其实并不大，单独成立系统使用的时候，百兆交换机足以满足需要，如果矿井已经建立起了千兆，甚至是万兆级的工业以太环网的话，监控分站的主通信直接接入环网，也是可以的。

4 系统软件设计

具体的通风监测系统软件的结构框图如图2 所示，直接在Windows 10 环境下开发运行。上位机软件是整个通风监测系统软件的重要部分，主要完成人机交互、数据显示和汇总处理，数据存储，数据分析，实现控制受控设备的运行状态。监测系统软件由主程序模块、通讯模块和数据处理模块3 部分组成，主程序模块完成主界面总体展现、人机交互、打印查询模块调用以及测量控制等功能；通讯模块完成数据接收和呼叫应答，与其他系统的应急联动，以及下发由上位机软件对监控分站进行的控制命令；数据处理模块完成数据采集、数据存储、大数据分析等功能。

图2 软件功能框图

5 结语

本系统的设计能稳定可靠地监测到主扇通风机各节点温湿度、风速、风压差以及风机功率、主轴温度、转速、振动等参数，利用预设的安全阈值，实现传感器、监控分站和地面语音报警器都将同时发出报警，有利于监控人员采取相应的措施，同时汇集的所有监测数据，形成运行状态曲线，以备将来作为测定主扇性能的参考资料。此系统设计架构简单、功能全面、操作方便、兼容性强，具有很强的可操作性和推广价值。