关于主通风机智能化的一种解决方案的研究.pdf

2023.8 矿业装备/1550 引言通风设备是井工矿的整个工作系统里重要的组成部分，在防火、热处理、瓦斯爆炸、粉尘防控方面都起到重要的作用。由于近年来很多传统行业都进行了智能化的重建并取得大量的成果，其中，通风智能化将成为井下通风管控的重要手段，实现通风智能化、通风高效化成为矿山整体智能化的重要目标之一。1 煤矿井下通风管理的重要性主通风机是支撑煤矿井下通风的重要设备，能够地面层新鲜的空气导入矿井下工作面，以使矿井内部空气可以循环流通，并对矿井内的有毒气体（CH4、CO、CO2、C2H6、C2H4、C2H2）等起到稀释作用，使其浓度降低，从而保证矿井内作业人员的生命安全。另外，煤矿通风系统的使用给操作工人提供了充足的空气，不会因人太多而缺氧，还可以控制煤矿内的高温效应和空气密度，给操作工人提供一种相对较好的工作条件，从而保障工作安全和身体健康。2 矿井主通风机系统智能化研究针对我国煤矿主风力发动机系统智能化的研究，在考虑到各矿工作环境不同的情形下，以最近提出的工业 4.0 概念为参考，通过建立以矿井万兆环网的网络信息传输系统为基础，打通了以往生产机械设备、信息存储、制造装置之间互不交通的传统模式，将之融合为一体，在生产系统中各部门之间既可以相互独立工作的同时，又可以进行信息自动的交流，以此保证工业生产过程能够有效安全的进行。此外，煤矿主通风机的智能化设计，还需要考虑分析井下工作情况、用电状况等一些因素。3 确保主通风机实现智能化控制的关键设备选择3.1 变频器的选择变频器实现智能控制的主要设备，选择时不仅要考虑到其运用的核心控制技术，还要全面考虑到主控板的运算速度对转矩与速度的控制精准度，以及电机启动后能够提供的最大启动转矩，这样即使系统的供电设备发生故障导致供电中断，变频器也能充分利用断电后电机进行旋转产生的动能进行发电，从而为系统整体的运行提供短暂的电源支持。3.2 PLC 设备的选择PLC 作为智能控制系统的控制核心，在对其进行选择时，首先需要结合系统的实际应用场景以及生产操作的复杂性对设备主体结构进行全面的考虑，尽可能选择一些可靠性较高、结构设计较为紧密、内置集成功能与指令集较为丰富且扩展性较强的 PLC 主机设备。在完成设备型号的选择时，为了更好的满足智能控制系统需要实现的各种功能，也需要对该设备的数据输入与输出需求进行综合考量，在必要时可以为 PLC 设备增加适当的外部扩展模块，并对各模块进行 I/O 编址。3.3 瓦斯传感器的选择矿井内瓦斯浓度测量结果的准确性作为直接影响到通风机智能控制系统实际实时效果的重要因素，在对瓦斯传感器进行选择时，要根据矿井内的瓦斯浓度选择型号相符的设备，并根据相应的生产要求，尽可能将瓦斯传感器布置在掘进工作面附近、掘进巷道的回风流与回关于主通风机智能化的一种解决方案的研究宋建军（山西煤炭运销集团新旺煤业有限公司，山西大同 037002）摘要：随着物联网和互联网时代的到来，传统基于人工操作的生产模式已逐渐被自动化和智能化所取代，煤矿行业也逐渐走向智能化。目前，许多矿井中重要的主风机系统已经智能化，包括监控、控制、报警和预警，基于自动化和工业环网。描述主风机系统的智能改造方案以及改造后的系统功能，以及改造煤矿生产带来的重要优势。关键词：通风机；智能监控；无人值守156/矿业装备 MINING EQUIPMENT装 备风巷等位置，从而提高瓦斯测量工作的准确性。4 通风机智能化改造思路及实现功能主通风机系统是确保煤矿井下安全的重要环节，能否安全可靠运转直接关系到煤矿的安全生产。本设计方案从实际角度出发，为原有的通风机设备配备一套在线监控系统，以实现主通风机的智能化远程在线监控。主通风机远程在线监控系统能够对风机的启停、风门开闭进行远程控制，同时也可对各项运行参数的远程监测。本系统界面具备人机对话功能，既可以接入全矿的云平台系统，也可以以一个独立的监控系统存在，从而实现调度中心在上位机上监控。具体配置如下：在线监控系统以 PLC 作为控制核心，可实现对风机电气部分的集中控制，通过顺序逻辑控制程序，实现一键启动、一键停止、一键倒机等多项功能，可方便地实现主扇风机的控制功能1。本系统对主通风机房的通风机及相应的电机启动装置、电动风门、扇叶角度调节等控制功能及运行参数检测、动态显示，并将数据传送到地面生产调度中心，进行实时控制、监测、报警及显示。系统的监控模式采用可编程控制柜（PLC）加工控机的形式，通过工业交换机构成局域网。现场改造两台 PLC 控制柜分别控制两台风机，每台 PLC 柜配有冗余CPU，在主 PLC 系统发生故障时备用 PLC 系统能接替主PLC 系统，实现主备切换。具有 OPC、Modbus、以太网、Profibus 等多种通讯功能。5 系统架构与特点5.1 系统架构本次改造软件方面配置通用组态软件、数据库软件、数据采集软件、中间软件、操作系统软件、安全管理软件等、并选用通用、标准、开放的模块化组件软件。本系统软件的系统构架在搭建时运用的基础结构是Browser/Server 即浏览器/服务器的三层体系结构，并运用 JAVA 编程语言来实现而且跨平台功能需求；同时在编程过程中运用了多线程，数据库连接池以及动态负载均衡等较为丰富的编程技术来提高系统整体的先进性；此外，该系统支持通过计算机集群技术来实现异地维护功能。5.2 系统特点第一，模块化设计。本系统搭载了相应的模块设计功能，在实际的运用过程中，可以根据不同框点中环境以及工作要求的不同分别形成相应的功能模块，以此来提高本系统的运用广泛性。第二，参数化设计。本系统在优化时加强了具体的分数监测功能，在实际投入使用后，不仅可以对矿井中的瓦斯浓度、风向与风速、设备的开启与停止、断电与馈电等安全状态等数据进行监测，还可对矿井内各种数据的模拟量、调整量、累积量、控制量、开关量与数量等进行实时监控。第三，多极权限功能。根据省、市、县、煤矿各层煤矿管理部门职责的不同，本系统分别为各部门的具体操作人员设置了已知对应的分级权限，以满足各级部门的具体需求。第四，数据处理功能。通过对数据库技术的运用，可以对系统收集到的各种信息与数据等进行分类存放以及备份操作，同时对于产生的各种数据日志可以实现压缩、整理以及断线数据重发等功能。第五，可操作性。系统在进行设计时，为了方便相关人员进行操作，展示界面等所运用的语言均为中文；为了更方便使用人员进行操作，还配置了相应的使用帮助文档以及在线帮助弹窗。第六，数据显示。根据用户的不同需求，本系统可以将数据整合为列表曲线。以及报表等多种方式进行显示。第七，数据接口。针对数据的实时传出需求，本系统运用的是标准的数据通讯协议，在网络连接中下级用户需服从上级用户的指令，上级用户则需要提供数据传输中需要遵循的格式以及采取的技术。6 系统功能6.1 在线监测系统的主要功能根据智能化主通风机对监测系统提出的具体要求，本在线监测系统主要实现了对通风机工作过程中各项参数的监测：整体设备运行过程中电动机绕组温度以及轴承温度的监测；对电机电流、电压、功率等的监测与实时显示；对电动阀门的状态以及通风机主电动机的运行状态等的监测；对系统中变频装置的进行状态、运行频率、故障情况以及自身温度等数据进行监测；对液压站润滑站的油温、过滤器状况、水流量开关通断等数据进行监测；对电动执行机构远控、运行、到位等信号及风机制动器的状态及位置的监测；对设备运用过程中励磁2023.8 矿业装备/157电压、励磁电流的监测与显示。本系统为了提高实际的工作效果，为在线监测装置配备了两套传感器，并分别装配在两台通风机上，这样可以通过两台通风机的切换使用，来提高实际工作的智能化效果。6.2 在线监控制系统的主要功能对主通风机系统的智能化控制以及安全性保护均依赖于实际的通风机在线监控系统。具体的控制功能包括一键启动/暂停风机，1 号风机切换至 2 号风机，2 号风机切换至 1 号风机，一键复位所有风机以及一键倒机等。这些功能都是通过调度室监测、配电室控制、风机就地控制等方式实现的。其中，配电室控制根据具体细节不同，还可分为就地手动控制以及远程控制。该系统可实时监测数据及控制现场风机、阀门等设备，配电室在电脑上控制及监测风机、阀门。其控制方式分为远程和就地两种控制方式。第一，远程控制方式。远程方式下，将现场低压开关柜、变频柜的所有转换开关打在“远程”档位，在配电室上位机画面上，合分闸开关柜、打开关闭阀门和启停电机。而调度室远程控制指的是将现场低压开关柜、变频柜的所有转换开关打在“远程”档位，在调度室电脑上可实现远程控制风机电机启停、阀门开闭、开关柜合分闸及监测数据。第二，就地控制方式。该模式就是人力的帮助实现对设备的有效控制，这种控制方式主要运用于以下这两种情况：当 PLC 或系统产生故障，不能进行自动控制时的操作方式。手动模式下，只能就地控制风力发电机的起车、停止、切换至备用风力发电机，此时低压柜的所有双电源自动开关都可以“就地”分档。具有与自动方式一致的闭锁形式。7 系统控制程序的具体要求对于风机的一键启动功能，要求在风机阀门打开至一定位置后再启动风机的电机；对于风机的一键停止功能，要求先关停风机的电机，随后延时关闭风机的阀门；对于风机的一线切换功能，需要先关停风机的电机，随后延时关闭风机的阀门，再打开备用风机的阀门，最后启动备用风机的电机；对于风机的一键复位功能，在风机一键启动、停止与切换功能失效后，选择该选项能够直接切换至手动操作模式；对于故障报警功能，要求当系统的部件温度过高，以及电压，电流，振动频率等参数超过标准时立刻发出警报。此外，在具体的系统运行中要求控制程序能够实现以下需求：第一，要能够及时的显示设备收集到的各种数据，并能够通过在控制台上的相关操作实现对变频器频率等参数的调整。第二，能实时监测数据的历史趋势及实时趋势，并可绘制通风机的各项参数曲线，通过打印机输出，根据历史趋势和历史报警，可以进行故障分析及诊断。第三，要能够实现对监测数据的存储以及查询功能，在查询过程中要能够按照每日与每小时的划分实现对数据的展示，并形成每日内各项参数实际变化规律。第四，要能够实现对各点的显示以及事故报警功能，能够在风机系统性能数据曲线上添加各工况点实际的数据信息，从当前时刻起一个月内记录各种参数、时间、日期等，以供后续分析。8 监测参数信号在具体的智能化控制系统运行过程中，会对如下参数信号进行监测和收集：电机轴温（前轴、后轴），电机定子温度（3 个），风机静压、全压、风速、风量、效率，电机电压、电流、功率，蝶阀的开、关到位状态，风机垂直振动、水平振动。进线柜的合分闸状态。液压站、润滑站的油温、过滤器状况、水流量开关通断。风机抱闸位置及状态，监控电动执行器遥控、运行、到位等数据与状态信息、信号等。然后，将收集到的参数信息传输至 PLC 中，运用计算机对接收到的数据进行处理保存，从而实现对主扇风机系统的自动监控与文字语音显示报警。9 结束语本文在现有通风系统控制模式的基础上，结合多种先进技术进行改造研究，实现了设备状态监测、设备远程操控、系统智能化于一体，同时也实现了对主通风机系统设备各项性能、运行参数、运行状态的在线实时监测和远程集控，使矿井通风工作的可靠性和智能化水平得到了突破性的提高。参考文献1 高希睿.煤矿主通风机房智能化建设及无人值守改造 J.自动化应用,2020(10):124-125+130.