基于MCGS井下通风系统安全监控系统设计与研究

张 强

（霍州煤电集团有限责任公司霍宝干河煤矿，山西 临汾 041600）

在煤矿生产中，为保证井下作业人员正常作业，就必须有源源不断的新鲜空气输入的通风系统。为了保证通风系统的正常运行，一般系统使用两台风机，可以实现切换。但是系统的工作效率较差，造成了很大的电力浪费，煤矿维修不到位、到期不维护以及带故障运行的现象时有发生，同时监控方式较为落后，导致故障率较高，而且维修时间较长，对井下环境造成威胁。

为了保障井下的安全生产，急需设计一个通风系统的安全监测系统[1-4]，旨在实现系统运行的实时监控，维护保养的及时处理，延长设备的寿命，降低成本，营造一个安全生产的氛围。

1 MCGS 组态软件系统简介

通风系统安全监测系统是基于MCGS 组态软件衍生的，MCGS 软件作为一款中文界面呈现的工业软件，其由于操作便捷、稳定可靠等特性受到了大众的欢迎。同时，软件还有成熟的用户界面，可以将监控结果实时地显示在终端PC 上，便于人们去分析。MCGS 软件的结构分布图如图1。

图1 MCGS 组态软件结构图

MCGS 软件是由组态环境与运行环境两方面组成的。其中组态环境主要是用于与用户相连接的部分，其可以通过实时数据来完成动画的绘制、流程的梳理、报表的设计以及与相关设备形成互联；运行环境则是对组态环境中形成的各种分析进行展示以及输出，完成PC 端的实时显示。

2 基于MCGS 的矿井通风机监控系统的总体设计

2.1 监控系统的总体设计目标

在对系统进行设计之前，首先应该明确安全监控系统的设计要求。该系统由于工作环境等影响使得监控的难度较大，如下为各个模块的设计目标：

（1）实现通风系统的参数监测，通过传感器实现参数的收集以及上传。参数包括系统运转过程中的温湿度、压力、振动幅度、工作效率等，旨在对系统进行合理的运转评价。

（2）完成井下工作环境的监测。其主要通过气体传感器对井下工作环境中气体浓度等进行监测与收集。

（3）实现系统的效率调节。借助对系统电压的改变来调节系统的变频器，进而实现系统运行效率变化。

2.2 系统总体方案设计

安全监控系统的总体设计图，如图2 所示。设计的安全系统是以MCGS 组态软件为依托，配合传感器实现安全监测功能，在过程中传感器主要用来收集以及传输通风系统的参数信号。本系统主要是通过传感器接收、输出所监控通风机的各类信号，经过简单分析整理后，上传至PLC 测控系统，再依靠A/D、D/A 的相互转换将收集的数字转化为模拟量，通过控制系统电压来调节通风系统功率，随后再将信号通过MCGS 软件传输至PC 端，实时显示监控数据画面。

图2 系统总体设计图

在安全监控系统中，最为关键的组成部分当属井上的监控模块，通过传感器采集的数据经过处理最终以动画或者报表的形式呈现的终端。监控系统的组成分布如图3。一个完整的监控系统模块，必须由系统管理模块、设备管理模块、数据管理模块以及系统帮助模块组成。

图3 监控模块分布图

3 监控系统硬件的选型设计

3.1 传感器的选型

在矿井通风机监控系统中，若想更好地实现系统的监控功能，需要通过传感器来进行井下信号的采集。传感器作为系统的基本组成部分，其性能的好坏会决定信号的精准性以及系统整体的分布。决定传感器性能的关键参数有：分辨率、灵敏度、精确度、工作范围、响应时间等。在本文所设计的安全监控系统中主要使用的是温度、压力的传感器。

传感器均匀地分布在井下的关键监控位置上，井下地质环境以及恶劣的采煤环境会对传感器造成一定的影响，会影响传感器的精确度以及灵敏度等参数。如图4 为造成传感器波动的外部环境，鉴于工作环境无法改善的现实情况，需要选择可靠性较高、受井下环境影响小的传感器使用。

图4 传感器外部影响因素

为了更好地实现安全监控系统的功能，需要对通风系统的温湿度、开停机、气压等信号进行传输。参照上述影响传感器的外部因素，在选型时必须选择性能稳定、便于拆装、响应时间短、准确性高的传感器。通过查询资料，对比不同传感器在干扰下的传输效果，最终选择性价比最高的PT100 传感器、CP200 传感器，另外还有关于井下空气浓度收集的传感器。

3.2 PLC 的选型设计

在PLC 控制器中，CPU 作为最核心的部件，有运算以及控制两种功能，目前最常用的是六十四位处理器。PLC 的工作流程是传感器将数据信号收集并上传，PLC 在电源单元的支持下开始工作，通过识别输入信号，将信号转化为CPU 可识别的形式，由CPU 中的运算模组开始进行分析，分析完成后通过控制模组进行发号施令，同时将数据以及分析结果分到存储器中，控制模组的命令将通过输出单元传递到输出设备即一线的传感器或者通风系统，通过调节电压等参数来进行系统参数的调节，完成PLC 控制器的一次工作。PLC 的结构示意图如图5。

图5 PLC 的结构示意图

为了匹配使用场景，本设计最终选定西门子57-300 型号的PLC 作为系统控制器。选择此型号控制器的原因在于，首先该型号控制器属于典型的模块化结构，完全匹配系统中PLC 控制器使用；其次该控制器拥有很强大的分析功能，其运行速率快而且可靠性高，同时添加了故障诊断的模块，能够通过数据分析结果得出系统的故障所在；同时该控制器还具有强大的存储功能，可以将PLC 各个模块的数据变化全部记录，有助于协助系统进行分析。

目前该系统已经在干河煤矿综采1#工作面进行施工选材，预计2023 年初可以投入使用，按照目前规划，预计信号传输时间节约30%，故障率降低60%，设备维修成本降低30%以上，同时节约人工。

4 结论

在MCGS 组态软件系统的基础上开发了一款通风系统的安全监控系统，通过改变传统的监控网络布置，经传感器来获取井下实时数据信息，再通过PLC 的处理，最终将数据实时传递到井上的监控PC端，通过数据的分析对比判断各部件的运行状态，实时监控使用情况，旨在第一时间处理异常情况，保障井下开采环境的安全，同时可减少维护更换设备的费用。