张子甲

（山西乡宁焦煤集团台头前湾煤业有限公司，山西 临汾 042103）

引言

矿井通风系统是煤矿井下正常作业的重要保障，通风机作为通风系统的心脏，其运行安全可靠性直接关系着矿井的安全作业[1-3]，因此对通风机的运行情况进行监控至关重要。目前，矿井通风机监控系统多采用单参数预警，经常出现矿井通风监控系统评判不全面和故障时无法及时报警，使监测数据无法发挥应有作用[4]。因此针对某煤矿服役中的通风机单参数监测带来的问题，对矿井通风机智能监控系统进行研究。

1 监控系统的设计需求

矿用通风机常见故障涉及轴承故障、扇叶故障、转子故障等，这些故障主要出现在矿用通风机的驱动电机及其旋转结构位置，是需要监控系统重点监测的地方。因此，优化设计的监控系统需要具备实时监测矿用通风机运行参数的功能，一旦运行参数出现超差，就能发出故障预警，同时能够存储矿用通风机运行参数的历史数据，供监控人员调用查看。

2 监控系统的设计方案

根据矿用通风机对于监控系统的需要分析，完成矿用风机监控系统的设计方案，如图1 所示。监控系统主要由上位机、PLC 控制器、传感器、智能电表、电机、变频器等元器件组成，在工作过程中，系统通过不同类型传感器采集得到通风机运行参数，经系统的I/O 转换模块实现对信号的转换，将转换后的信号传输至PLC 进行数据处理，并会同智能电表和变频器等经TCP/IP 协议将数据传输至监控系统的上位机进行显示，使监控人员能够根据矿用通风机实际运行参数及趋势对其发出控制指令，包括变频器、风门开关等，实现系统对矿用通风机的远程控制功能。

图1 监控系统结构

3 监控系统硬件的设计

3.1 传感器

传感器作为矿用通风机智能监控系统数据的来源，工作时能够根据一定的规律感受被测物理量的信号。传感器在矿用通风机中的布置方式如图2 所示，图中的风量传感器、风压传感器、温度传感器、振动传感器以及智能电表等器件负责采集矿用通风机运行过程中的风压、风量、轴承温度、电压、电流等实时运行参数。

图2 传感器布置位置

3.2 PLC 控制器

PLC 为可编程逻辑控制器的简称，在工业现场应用较为广泛。PLC 内部的模拟量输入模块可以直接接收来自各种传感器的模拟信号，模拟信号经过数据分析处理之后由模拟量输出模块传输至变频器，以便调节通风电机的运行状态。PLC 内部的开关量输入模块用于接收开关通断信息，开关量输出模块则根据逻辑控制关系控制系统中各继电器的通断。PLC 主控模块负责数据的存储和分析，借助以太网及TCP/IP 协议将分析结果传输至上位机进行数据显示与控制。

3.3 变频器

变频器主要被用于控制通风机的驱动电机，其原理是运用变频技术与微电子技术改变电机电源频率实现调速目的。变频器工作时先经过一次AC/DC转换，再经过一次DC/AC 转换，实现驱动电机频率的无极调速，频率改变值由PLC 数据输出模块控制。变频器接线关系如图3 所示。

图3 变频器接线关系

4 监控系统软件的设计

4.1 PLC 程序的设计

在STEP7-Micro/WIN SMART 环境中进行PLC程序的编写，结合矿井生产情况，确定PLC的主要功能是数据采集，包括模拟量、开关量等，处理数据之后输出控制继电器、变频器等动作。借助传感器完成模拟数据的采集，通过移动字指令MOV_W 和双整数转为浮点数指令DIR 等，例如，将电机轴承温度传感器信号传入PLC 并存储，处理之后将其传输至上位机显示轴承温度数值。开关量状态包括开和关，代表控制器件的通断状态，例如，把需要显示输入I 与中间继电器M点直接连接，通过M 点传入上位机来表示I 点的通断。模拟量输出经变频器计算得出不同的参数，再通过移动字指令MOV_W 被传入模拟量输出寄存器AQW，根据要求输出不同频率的控制电机功率。开关量输出主要用于实现PLC 对继电器的控制功能。

4.2 通讯方式的实现

因本监控系统中的PLC 与组态王之间采用网络接口连接，需要配置OPC 软件。建立连接专用文件，包括不同PLC 变量文件和变量、组态定义的变量一一对应的地址及其开关量或数字量。OPC 软件中的“数据类型”即变量对应的类型，组态王的变量对应PLC的量这两者的数据类型需一致，否则读取或输出时会出错。

4.3 显示界面的设计

矿用通风机监控系统界面不仅可以实时显示通风机各运行参数，供系统监控人员及时了解矿用通风机的实时工作状况，同时，监控人员也可以根据获取的监控数据及其变化趋势，修改矿用通风机相关参数，实现矿用通风机的远程控制功能。如图4 所示，极为形象地显示了矿用通风机的运行情况，包括进风闸门的开关、风量和风速等。监控人员可以通过主界面中的按钮完成监控界面的切换，实现报警参数设置、故障预测、历史数据查询、报表下载打印等功能。

图4 矿用通风机监控系统主界面

5 监控系统应用效果

为了验证矿用通风机智能监控系统设计效果，将其应用于某煤矿服役中的矿用通风机进行试运行，进行了为期半年的跟踪记录，结果表明，该监控系统运行稳定可靠，满足矿用通风机运行状态实时监测与远程控制功能。统计结果显示，该监控系统在试运行中，未出现故障报警滞后的情况，相较于原监控系统，节省系统运维人员2～3 名，减少了近12%的故障排查时间，降低了工作人员的劳动强度，提高了近10%的采煤机械利用率，降低了煤炭掘进成本，提升了煤炭企业的产量，取得了很好的应用效果。