矿用主通风机综合在线监测系统应用研究.pdf

第4 6 卷第7 期2023年7 月机电与自动化矿用主通风机综合在线监测系统应用研究煤炭与化工Coal and Chemical IndustryVol.46 No.7Jul.2023郝跃飞（山西汾西矿业（集团）有限责任公司贺西煤矿，山西柳林0 3 3 3 0 0）摘要：为确保矿井通风机安全牢靠运行，保证矿井安全生产，针对汾西矿业矿井主通风机所处复杂生产环境和条件的限制，无法及时有效采集主要参数的实时运行状态的情况，通过以PLC控制器为硬件核心、以DIP8011系统为软件核心的模块化程序设计，辅助以温度传感器、风压传感器、振动传感器、电信号检测器等装置的硬件检测设计，实现对各指令参数的采集、分析与处理，确保通风机运行状态的持续稳定。实践表明，设计的汾西矿业主通风机在线监测系统可超前预防事故发生，降低设备维护成本费用3 0%以上，每年降低6 4.8 万元人工成本，应用效果显著。关键词：PLC；主通风机；在线监测系统；通风安全中图分类号：TD76文献标识码：B文章编号：2 0 9 5-59 7 9（2 0 2 3）0 7-0 0 8 7-0 4Application research on comprehensive on-linemonitoring system of mine main ventilatorHao Yuefei(Hexi Coal Mine,Shanai Fenxi Mining(Group)Co.,Ltd.,Liulin 033300,China)Abstract:In order to ensure the safe and reliable operation of the mine ventilator and ensure the safe production of themine,in view of the limitation of the complex production environment and conditions of the main ventilator in Fenxi MiningMine,it is impossible to collect the real-time operation state of the main parameters in time and effectively.The modularprogramming design with PLC controller as the hardware core and DIP8011 system as the software core is used to assist thehardware detection design of temperature sensor,wind pressure sensor,vibration sensor,electrical signal detector and otherdevices,so as to realize the collection,analysis and processing of each command parameter and ensure the continuous andstable operation state of the ventilator.The practice shows that the designed on-line monitoring system of main ventilator inFenxi mining industry can prevent accidents in advance,reduce the cost of equipment maintenance by more than 30%,andreduce the labor cost of 648 thousand yuan per year.The application effect is remarkable.Key words:PLC;main fan;on-line monitoring system;ventilation safety1140V，电机功率3 15kW，正常运行工况状态下1概况转速可达到7 3 0 r/min，供风量可达到9 0 m/s，全汾西矿业矿井产能为18 0 万t/a，井田范围长风压状态达到12 0 0 4 2 0 0 Pa，基本满足正常生产约为8 km，宽约为2 km，井田面积15.6 km。根的需要。但为了保证煤矿生产安全，对汾西矿业主据前期勘探钻孔探查和钻孔取样解析，测得的相对通风机进行智能化在线监测设计。瓦斯涌出量和绝对瓦斯涌出量分别为13 m3/t和2通风机在线监测系统方案设计46.8m/min，属于高瓦斯矿井。为满足矿并安全生产和通风需要，汾西矿业主要通风机选用了2 台型号为G4-73-11.25D的离心式通风机，额定电压为责任编辑：张彤D0I；10.192 8 6/j.c n k i.c c i.2 0 2 3.0 7.0 2 3作者简介：郝跃飞（198 6 一），男，山西柳林人，工程师。引用格式：郝跃飞.矿用主通风机综合在线监测系统应用研究 J.煤炭与化工，2 0 2 3，4 6（7）：8 7-90.2.1整体方案设计通风机在线监测系统主要是在监测线路中设872023年第7 期置检测装置模块，采集设备的关键信息，并经过通信系统上传至主机，由主机研判是否存在风险点和故障源，实现对风机运行期间的主要工况参数进行实时监测。在线监测系统一旦检测回传信号出现异常，可迅速判断出是哪一个故障点和事故原因引起的事故，并发出预警警报，采取应急抢险措施，避免引起更大的灾变事故，确保设备的稳定可靠运行。2.2模块化程序设计通过对汾西矿业G4-73-11.25D主通风机多种运行状态下不同运行参数的分析采集，并考虑现场实际运行的情况，确定以PLC控制器为硬件核心、以DIP8011系统为软件核心的模块化程序系统设计方案，采用本安型矿用隔爆传感器，以及防爆计算机等设备，共同组成综合在线监测系统。各类传感器采集各分站模拟量信号，经过信号输入、输出模块回传到计算机，主机研判异常与否，再通过PLC处理后将数据指令传达到各点位，实现指定动作。处理后的数据可以传输至LED显示器进行显示，并存储在计算机中；若有异常情况，将进行声光报警，提醒相关人员注意，及时排除故障。为提升综合在线监测系统在突发停电状况下的应急能力，延长电源续航时间，此次设计配备多组备用电源。综合在线监测系统的软硬件模块化程序设计流程如图1所示。通温度传感器模拟量十输人模块输人模块模拟量风风压传感器机振动传感器(AI)电量变送器电控开关量柜变频器限位开关碟阀控制电机图1监控系统软硬件模块化程序设计Fig.1 Modular software and hardware programdesign of monitoring system汾西矿业主通风机的机械部分主要由通风机、电控柜和蝶阀等部分组成，是主要的监测对象，而温度传感器、风压传感器、振动传感器，以及限位开关、变频器、控制电机等辅助设备是主要的监测装置。利用传感器和各类变频器将采集信号转换成420mA的电流信号，或者15V的电压信号进行传输，再经过A/D转换器实现数字转换，回传88煤炭与化工至PLC进行受理分析。37在线监测系统硬件设计3.1检测单元设计综合在线监测系统的硬件设计主要涵盖温度传感器、风压传感器、振动传感器、电信号检测器等装置。（1）温度传感器。采用型号为WTP-270、测温范围-2 0 0 4 2 0 区间的铂热电阻传感器进行监测，数字模拟信号量为0 5V的电压信号，对通风机电机轴承和定子绕组的运行温度进行监测。根据实际工作需要，每台通风机安装3 组定子绕组传感器和2 组轴承温度传感器，汾西矿业共有2 台主通风机，每台配备2 部电机，因此共需安装2 0 组温度传感器。（2）风压传感器。汾西矿业矿井通风系统回路中存在巷道失修、断面大小不一等情况，导致各地点的通风阻力不尽相同，存在风流风压不稳定的现象，对在线监测造成一定的困难。因此，为得到准确数据，将传感器布置在存在局部风压压差的区域进行监测。将SMP2088型压差变送器置于配电柜中，测量风压范围为510 kPa，适用范围较广，检测精度和灵敏度满足要求，工作流程如图2 所示。(AO)LED显示器工业控制计算机开关量输人模块(DI)中间开关量断电辅输人模块器(DO)第4 6 卷电源引压装置滤配装置+压差变送器打印机图2 风压传感器工作流程Fig.2 Working process of wind pressure sensor语音报警设备（3）振动传感器。由于矿井主通风机的工作UP环境与条件较为复杂，长期受到高温、高压、高湿等影响，加上供电不稳定等因素的作用，经常会出现通风机振动现象。因此，选用型号为YY950的振动传感器，对设备运行时的横纵轴方向的振动幅度进行检测，适用工况温度-3 0 7 0。根据相关要求，通风机最大振幅不得大于7 mm，而该传感器线圈的最大位移量仅有1.5mm，满足要求。（4）电信号检测器。经过实地分析选型，确定采用可同时检测采集电机三相电压、电流、功率等信号的R4233型电信号采集模块器，具有支持多种模块协议的功能，以MODBUS协议模式、ASCII码协议模式等为主，具有较强的环境适应性和功能适用性，工作原理如图3 所示。输出信号郝跃飞：矿用主通风机综合在线监测系统应用研究Ue负UeUU交流互感器R42330000000999计算机232/485转换器DC7 30V图3 电信号检测器工作原理Fig.3 Working principle of electrical signal detector3.2PLC控制器设计目前PLC控制器应用已非常成熟，根据汾西矿业G4-73-11.25D主通风机的实际情况，经过分析对比，选择使用S7-300系列的PLC控制器。此外，配套模拟量信号选用6 ES7331-7KF010ABO输人模块和6 ES7332-5HD01-0ABO输出模块。根据实际工况应用，通风机综合在线监控系统共计需要7 组模拟量的输人模块和1组模拟量的输出模块，以此满足S7-300系列PLC控制器的8 个传输通道要求。PLC控制器传输通道电路结构如图4 所示。2CHOS-CH1S8910和背板感11线激工12CH2-S13活14161517CH3-S181920图4 PLC控制器传输通道电路结构Fig.4 Transmission channel circuit structure of PLC controller计算机CPU作为数据处理的核心模块，不仅要具有强大的运算能力，还要有快速的信息收集处理能力，以及多组数据的存储能力，因此选用能力较强的3 15-2 DPCPU型号模块。信息通讯采用CP343型号的基于以太网和其他硬件设备的通讯网络。4在线监测系统软件设计在线监测系统的软件设计程序决定整个系统网络的运行速度和稳定性，主要基于PLC软件程序、DIP8011软件系统等两部分组建。4.1PLC软件程序设计按照各检测分站不同功能性的模块化程序思想2023年第7 期进行设计，实现软件程序的功能应用，同时便于后期维护，降低成本。此次设计的软件程序整体框架以1个主程序为主，包含若干子程序的结构，呈上下顺序指令的模式，如图5所示。开始）上电清零监控状态？T是调用 FCI1、2、3启动条件？是风机启动调用FC95调用FC100、10 5外部检测输人电流信号？电流信号计算流程电压信号计算流程监测状态正常？是否设定最大最小值为超限？是显示输出多路转换器22323524625-2627逻辑电隔离+5V来自背板总线-内部电源否监视状态是工频运行PLC不参与风机的监控否否外部检测输人电压信号是故障报警并显示结束S-CH4128SICH52930313233电流源348353637383940-图5PLC软件程序设计Fig.5 PLC software program design由图5可知，软件启动运行后，首先对上一循1环的数据运行执行清零处理，为本次采集到的数据S-CH61S处理做准备，在此过程中，主程序运行时会不断调取子程序的数据内容，当启动监控状态后，会调用启动FC1、FC2、FC3 等子程序的模块，FC1负责显示上机位的相关数据，FC2负责通过逻辑指令控制2 台通风机的启停动作和蝶阀动作，FC3负责采集信号的回传与反馈。当风机启动后，FC95、FC100、FC 10 5等子程序的信息也会被调用，主要执行通风机模拟量的信号采集、传输、逻辑比较、指令输出等动作。4.2DIP8011软件系统设计DIP8011软件系统设计主要包含服务器子系统、数据查询处理子系统、地图管理系统等设计配置。（1）服务器子系统。服务器子系统基于对整个系统的数据采集进行组态分布整体布局。其工作流程如图6 所示。892023年第7 期数据库验证用户名和密码主界面用户管理-权限管理系统设置一通信管理一串口设置一进程设置地图管理一地图导人监控点设置设备信息动态点设置数据字典定义类型名称定义一数据长度数据处理模式生成存储表温度存储表震动存储表电参数存储表变频参数表Modbus采集指令定义Modbus协议一10 3 规约数据采集接口配置置WHR-SCADA配置WHR-OPC配置PLC-OPC配置地图管理器Processbook图像处理数据采集通信监测图6 服务器子系统工作流程Fig.6 Workflow of server subsystem主要构成单元包括主界面、用户管理、系统设置、地图管理、指令采集定义、地图采集管理器、数据采集等部分。用户管理是对不同功能的使用人员设置使用权限，根据权限高低划定功能使用的多少；系统设置主要负责信号通信、串口设置、进程和数据采集等方面的管理；地图管理包括向矿井系统中导入地图，设置监测点、录入设备信息和动态监测信息等；生成存储表包括对温度、振动、电参数、变频参数等信息的存储录入。每个级别的分功能模块都具有相对应的上下层级功能和指令作用。（2）数据查询处理子系统。该系统主要是对已存储和待处理的数据信息进行随时的调取查询，以及下一步处理，处理后的数据以可视化形式呈现，可供存储查询的数据包括某一时间段的风量、风压信息，历史故障和隐患排查信息，以及不同风险点的报警次数信息等，通过大数据分析对比，可以知道容易出现的故障类型，和易发生事故的风险点，从而加强日常检修和巡查，降低故障率。（3）地图管理系统。该系统模块的主要功能是将采集到的通风机不同状态下的工况参数按照可视化形式呈现出来，便于更加直观的分析排查故障点。5应用效果分析在安装综合在线监测系统之前，汾西矿业多数巷道通风参数无法做到实时采集，不能准确及时分析风量、风压是否满足安全生产的需要，在调整采煤炭与化工掘工作面布局之后，无法有效通过调整分配不同地一验证数据库系统登录系统退出数据采集管理OPC协议动态数据、状态显示人数据分析处理第4 6 卷点的风量满足工作面采掘供风需求。经过系统安装后的实践验证，已实现风机稳定运行1a时间，故障率明显降低，有效实现对风机风速、风压、风量，以及温度、振动等参数的实时监控；通过提前设置好的预警值，当故障点参数接近预警值时，提前进行隐患排查，消除故障原因，防患于未然，实现超前预防事故发生，降低设备维护成本费用3 0%以上。此外，原本每天需安排6人次测风员及瓦检员进行定点巡查，在系统投入运行以后，每月可减少18 0 人次的人工巡查，降低人工费用5.4 万元，每年降低6 4.8 万元成本。6 结 语汾西矿业综合在线监测系统的投入应用，实现了主要通风机的所有工况参数在线实时监测，利用模块化程序和各类传感器进行信号采集传输，经过与报警预设值的逻辑对比，可快速查找出故障点和风险源，提高了设备检修的效率，降低了设备故障率和人工检修维护成本，为矿井的安全生产提供有利保障。参考文献：1王晓军.矿井主扇风机在线监测系统设计 J.中国石油和化工标准与质量，2 0 2 0（6）：53-54.2覃缓贵.矿用离心风机故障诊断在线监测系统设计 J.煤炭技术，2 0 18（6)：2 3 4-2 3 6.3光辛亥.矿用通风机实时监控系统的设计与应用研究 J.机械管理开发，2 0 2 1（10）：2 7 1-2 7 3.4李明明.矿用通风机监控系统的设计与改进 J.矿业装备，2022(2):236-237.5武建平.矿用通风机在线监控与故障诊断系统的应用 J.机械管理开发，2 0 2 2（7）：17 5-17 6.6王依磊.唐口煤矿深部复杂开采工作面瓦斯分源涌出规律研究 J能源与环保，2 0 19，4 1（12）：2 9-3 2，3 7.7崔佳楠.变频器在煤矿通风机中的应用研究 J.机械管理开发,2 0 18,3 3(3):9 4-9 5.8路志远.矿用通风机监控系统的优化改进设计 J.煤炭与化工,2 0 19,4 2(8)：8 9-9 1,9 5.9崔争气.煤矿通风机智能监控系统设计 J.能源与环保，2020,42（3):12 8-13 1.10周宝胜.离心式通风机在线监控系统的应用 J.当代化工研究，2 0 2 0（18)：10 8-10 9.11董佩云.基于变频技术的矿用通风机监控系统的改进设计与应用 J.机械管理开发，2 0 19，3 4（12）：2 3 6-2 3 8.12 胡峰，薛彦波，曾祥林.基于PLC的压风机在线监控系统研究 J.能源与环保，2 0 18，4 0（5）：17 1-17 4，17 9.90