煤矿地面主要通风机远程监控系统研究

张晋　赵旭东　黄瀚增

摘 要：针对煤矿地面主要通风机远程监控系统存在的智能化水平低、可维护性差、故障率高的问题，对原通风机远程监控系统进行优化设计。以S7 1214 CPU模块为核心控制器，对1#—4#通风机进行“一拖一”变频控制，并将所有运行数据通过以太网通信传送至触摸屏及上位机。上位机采用工业计算机实现，可实现通风机远程实时监控及运行数据在线监测。实际应用结果表明，优化后的通风机远程监控系统提升了通风机控制系统的智能化水平，提高了系统的维护性，降低了故障发生率，保证了通风机安全、稳定、高效运行。

关键词：远程监控;变频控制;通风机

中图分类号：TD724 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）29-0075-03

Research on Remote Monitoring System of Main Fans on the

Ground of Coal Mine

ZHANG Jin ZHAO Xudong HUANG Hanzeng

（1.Jinjie Coal Mine of Shendong Coal Group， Yulin Shaanxi 719319;2.Shandong Ding'an Testing Co.， Ltd.， Jinan Shandong 250000）

Abstract： Aiming at the problems of low level of intelligence， poor maintainability， and high failure rate in the remote monitoring system of the main ventilator on the coal mine ground， the original remote monitoring system of the ventilator is optimized. With S7 1214 CPU module as the core controller， the fan 1#—4# is used for "one-to-one" frequency conversion control， and all operating data is transmitted to the touch screen and upper computer through Ethernet communication. The upper computer is realized by an industrial computer， which can realize remote real-time monitoring of the ventilator and online monitoring of operating data. The actual application results show that the optimized remote monitoring system of the ventilator improves the intelligent level of the ventilator control system， improves the maintainability of the system， reduces the failure rate， and ensures the safe， stable and efficient operation of the ventilator.

Keywords： remote monitoring;frequency conversion control;ventilator

矿井通风系统承担着输送新鲜空气、排除粉尘、稀释有毒有害气体的重任，是保证煤矿安全生产的重要手段之一。矿用通风系统一旦出现问题，将引发瓦斯爆炸等重特大安全事故，造成生命、财产损失[1]。因此，研究高效、稳定、安全的煤矿通风系统成为保障煤矿安全生产的前提。为确保矿井通风机运行状态良好，通风机远程监控成为一个关键技术研究方向。冯波通过对矿井内瓦斯浓度、粉尘浓度、CO等有毒有害气体浓度进行监测，对通风机进行自适应调速，降低风机电能损耗[2]。程国志研制了同时监测通风机风速、风机风压及温度等多参数智能通风机监测仪，以实时、精确掌握矿井内瓦斯、粉尘浓度，为调节风机风速提供理论依据[3]。申瑞杰等研制了矿井通风机在线监测与通信系统，将监测参数扩充至风速、风压、风機转速及风机温度等，并且可实现实时显示、存储及数据统计分析[4]。矿井通风远程监控系统在保障工人生命安全和财产安全的同时，能降低通风故障发生率，延长通风机使用寿命，减少矿井事故发生率等。笔者以S7 1214 CPU、工业计算机为核心，优化通风机远程监控系统，提升通风机的智能化水平和运行效率。

1 系统设计

煤矿地面主要通风机远程监控系统如图1所示，主控制器为西门子S7 1214 CPU模块，以变频模式控制1#—4#通风机，并以TCP/IP通信模式将所有通风机运行数据上传至触摸屏及上位机。S7 1214 CPU模块周期性采集通风机的风门过力矩信号、风门到位信号、合闸反馈信号，并综合分析控制室发送的远程控制信号、指示信号后，控制1#—4#通风机的合闸/跳闸、风门打开/关闭，同时在触摸屏、上位机实时显示风机运行状态、设置参数及故障报警信息等。S7 1214 CPU模块以“一拖一”模式对1#—4#通风机进行变频控制，根据矿井内瓦斯浓度、粉尘浓度值动态调整风机风量、风机风压，在保证矿井安全生产的前提下自适应调整通风机运行速度，以达到节能降耗的目的。在该系统中，S7 1214 CPU模块与触摸屏、上位机采用TCP/IP通信模式，控制器扩展以太网接口实现[5-6];S7 1214 CPU模块与变频器采用CAN总线通信模式，控制器扩展CAN总线通信接口实现。

2 硬件设计

煤矿地面主要通风机远程监控系统硬件设计即根据系统设计要求，对CPU模块、传感器等硬件进行选型及电气系统接线设计。温度传感器选用的型号为WZP-270，测量范围为-200～420 ℃，输出信号为直流电压0～5 V，响应时间小于15 s。在1#—4#通风机的每相绕组内预埋一个温度传感器，在通风电机前后轴承盖轴向位置各预埋一个温度传感器，达到实时监测通风机绕组温度、轴承温度的目的。采用局部环节压差方法对风机风压进行检测，风压传感器由引压装置、滤配装置、压差变送器以及输出装置等组成。引压装置具有均匀引压、稳定风量的作用;滤配装置可将风流中的粉尘、波动因素等滤除，具有除湿、稳压的作用;压差变送器选用的型号为SMP2088，可检测-5～10 kPa风压，供电电源为24 V直流电压;输出为标准的4～20 mA电流信号，或者0～5 V 直流电压信号，响应时间小于100 ns。通风机运行中，如果振动幅度较大，将会导致通风机损害或者停机，因此，需要安装振动传感器周期性监测振动信号，选用的振动传感器型号为YY950，可分别测量通风机[X]轴、[Y]轴的振动值，灵敏度为19.7 mV/（mm·s），并要保证通风机振动幅值不大于7 mm[7-8]。上位机选用工业计算机，24英寸（60.96 cm）LED显示屏，抗干扰、过压、过流能力强，内嵌Windows 10操作系统并支持TCP/IP、CAN总线通信，同时配置一台三特2 kVA UPS不间断电源。核心控制器选用西门子S7 1214 CPU模块，指令响应时间短，数据处理速度快，支持TCP/IP、CAN总线通信，主频可达1.6 GHz，满足煤矿通风机监控系统要求。根据煤矿通风机系统要求，S7 1214 CPU模块的输入、输出地址分配见表1。

3 软件设计

煤矿地面主要通风机远程监控系统软件设计基于组态王平台实现，设计主通风机监测画面、故障诊断画面、数据曲线画面、历史报警信息画面、管理帮助画面。S7 1214 CPU模块将1#—4#通风机所有运行数据以TCP/IP通信模式发送给工业计算机并在该平台显示。例如：基于该监控平台可选择通风机的运行模式，具备手动、自动、检修3种运行模式;可单独设置通风机参数以及通风机启停控制;可随时调用、查看通风机温度、风压、风量运行数据曲线及通风机报警信息。煤矿地面主要通风机远程监控系统软件模块划分如图2所示。

煤矿地面主要通风机远程监控系统可展示通风机运行状态，保留电压、电流、运行时间及运行次数等统计数据;点击左侧相应的按钮后，可查看用户状态、数据监控、视频监控、数据查询、曲线查询、故障报警及参数设置等信息。

4 结论

①以煤矿地面主要通风机为研究对象，基于西门子S7 1214 CPU模块，对通风机监控系统进行优化设计，以“一拖一”模式对1#—4#通风机进行变频控制，以TCP/IP通信模式将所有运行数据上传至工业计算机，达到远程监控、实时监测的目的。

②设计煤矿地面主要通风机远程监控平台，通过该监控平台可实现通风机远程控制、数监控、数据查询、参数设置及故障报警等功能。

③应用结果表明，优化后的通风机监控系统能够保障通风机高效、安全、稳定运行。

参考文献：

[1]刘磊.大型矿井主通风机智能监控系统研究[D].徐州：中国矿業大学，2019：45.

[2]冯波.煤矿安全通风智能监测监控系统设计[J].机电工程技术，2019（11）：22-23.

[3]程国志.基于时频分析法的煤矿主要通风机故障诊断研究[J].能源与环保，2018（8）：30-32.

[4]申瑞杰，吴新忠，牛洪海，等.煤矿主要通风机远程无线监控系统设计[J].工矿自动化，2017（11）：30-34.

[5]何远.矿井通风监测监控系统自动智能化设计[J].煤炭科技，2017（3）：199-201.

[6]徐怀阁，刘增宝，边红星，等.煤矿通风机实时监控系统的设计与应用[J].煤矿技术，2017（8）：214-215.

[7]张抗抗.煤矿主通风机风量调节系统的设计与实现[D].徐州：中国矿业大学，2015：23.

[8]王春，许雯娜，廖映华.矿井通风机远程监控系统设计[J].工矿自动化，2015（2）：58-61.