煤矿通风机在线监测监控系统的设计

刘玉婷

（大同煤矿集团王村煤业公司， 山西 大同 037032）

引言

为了对矿井所运用的通风设备进行有效的维护及管理，应建立完善的通风机监测系统。我国学者已经针对此进行了较多的研究[1-2]。刘贵升等设计了在线监测系统，并对矿井通风机的监测及出现的故障进行诊断，促使通风机的运行具备较高的安全性；薛鹏针对煤矿通风机局部系统存在的故障进行分析，基于该故障的特征来创建有效的故障树模型，并提出了相应的维修策略。本文依据通风机的结构特征、故障类型等也对在线监测系统的设计进行研究。

1 矿井通风机的结构特点

通风机在矿井中占据着十分重要的地位，并且是通风系统的关键构成，通风机所产生的能耗在矿井总能耗中占据了16%，选择正确的通风机可以极大地保障作业人员及生产的安全。通风机的类型主要有两种， 分别为离心和轴流， 本文对FBCDZ-6-980 系列的对旋轴流式通风机进行分析，其中Z、D、C、B 和F 分别代表了主要通风机、对旋式、抽出式、防爆及风机，其电机型号为YBF450S2-6。这类通风机的相关参数见表1。

通风机的内部结构主要包含了叶轮、扩散器、消声器等。该类通风机所具有的特征主要为：叶轮中的叶片可以自由转动，依据角度来对风量进行适当调节，具有较好的工作性能，可以维持稳定的运行；风机可以完成反转及反风操作，极大降低了通风系统的成本；叶轮与电机之间的链接可以利用直连形式来实现，减少能耗及故障率；为了使通风机具备较好的效率，叶轮的安装采取对旋式，以提升通风机的工作效率。

表1 FBCDZ-6-980 型通风机主要技术参数表

2 风机的故障形式和特征

通风机产生的故障类型较多，其主要有：

1）转子的不平衡性。该故障产生的原因主要为转子出现了缺陷及其质量出现偏心。

2）动、静摩擦所造成的振动。该故障产生的原因为风机的质量或人为因素。

3）叶轮因不平衡而产生振动。导致该故障产生的原因是叶轮所具有的不平衡性。

4）喘振。导致该故障产生的原因是风机的运行环境大多具有较大的风压及风流量。

5）出现较高的轴温。导致该故障产生的原因主要是风机不具有充足的润滑油或者制冷体系发生故障，进而导致轴承出现了摩擦热。

6）风机安装的轴承出现超标的振动。导致该故障产生的原因为风机内轴承产生的振动超出了规定的范围。

3 矿井通风机设备监测参数的选择

1）通风机所形成的振动信号。该参数包含了较为关键的信息，本文通过运用传感器来对水平及垂直方向中轴瓦所产生的振动信号进行收集。

2）通风机所形成的电参数。该参数信息可以将电机的工作状态加以展现，因此必须对该参数进行有效的检测及监测。

3）通风机所形成的轴温。导致风机出现较高轴温的因素为轴承出现损坏或者缺油、轴承在内圈及外圈运行时产生故障或者轴承出现扭曲。因此必须对该参数进行精确监测。

4 通风机在线监测系统总体结构

其整体结构主要包含了数据的传输层、采集层和智能监测分析层，其整体结构如图1 所示。

图1 煤矿通风机在线监测系统总体结构

1）智能监测分析层。主要功能是收集风机运行的各个数据，包含数据的分析、查询、展示等。

2）数据传输层。本文所创建的网络主要运用了ZigBee 网络。

3）数据采集层。其构成主要包含了无线板块、核心控制器、各个传感器，其功能在于收集风机中的各个数据[3-4]。

4.1 终端节点硬件设计

该节点的设计主要包含了三个采集节点，分别为电流电压的采集、温度的采集及振动的采集。这三个节点与传感器相区别。本次设计主要对电源、传感器、电路等模块进行设计，其整体结构如图2 所示。

图2 终端节点的总体构架

1）电源板块。所运用的电池为铿电池。

2）扩展接口板块。其功能主要是具有扩展作用，例如显示器等。

3）传感器板块。主要利用振动及温度两个传感器来检测风机的振动、电流等各个信号。

4）无线通信板块。其功能是将风机的各个工作参数传输到协调器内，并执行各个指令。

5）微控制器板块。主要是利用MCU 来确保无线传感器维持可靠有效的运行。

4.2 传感器的模块选型和设计

该模块的功能是对通风机的运行状态进行实时监测，对通风机的电压、电流等各个参数进行监测。

1）振动传感器。该传感器的类型主要有位移、速度及加速器三种传感器。该传感器进行检测的方法及运用见表2。

表2 振动传感器的实际测量方法及运用

2）温度传感器。该传感器的类型主要有热电偶、数字式等。其作用主要是对电机中定子及轴承的温度进行检测。

3）电量传感器。为了将通风机中电流及电压的工作状态加以反映，本文采取了C2300 型霍尔传感器，可以对电压及电流的数值进行检测。这类传感器所具有的特征主要为：运行电压为+12 V 或者+15 V；运行温度为-40～85 ℃；响应的时间≤5 us；输出电压的额定值为1%FS；电流所处的范围为0～±600 A。

4.3 电源模块原理

终端电源运用了铿电池。振动及温度两个传感器、单片机电源的输入电压为3.3 V，电量传感器的供电电压为12 V。该模块的原理如图3 所示。

图3 电源模块的原理

4.4 储存器模块设计

该模块所运用的储存器为K9G8G08UOA 型，其所具有的工作电压处于2.7～3.6 V 之间，所运用的芯片主要为8 位总线型，内存量为1 GB。

在设计的过程中，其协调器节点中的储存器主要采取内存为1 GB 的NAND Flash 为电路。为了使操作更为便捷，对ARMS3 C2440 的Flash 控制寄存器进行一定的设置，从而对储存器进行有效的控制[5-8]。S3 C2440 与K9 G8 G08 UO A 相互连接的电路原理如下页图4 所示。

图4 S3C2440 和K9G8G08U0A 连接的电路原理

4.5 监测软件设计

该设计主要涵盖了报警功能、数据报表、监测页面等。该监测软件的功能综合结构如图5 所示。

5 结语

通过对矿井通风机在线监测系统进行研发及分析，基于该通风机所具有的结构特征及其故障类型，研发矿井通风机在线监测系统的整体结构，为矿井实现自动化及信息化提供可靠的技术支撑。

图5 系统监测软件的整体功能结构