矿井通风机远程监控系统设计与应用研究

貟少强，孟 卓，宝银昙

(陕西能源职业技术学院 煤炭与化工产业学院，陕西 咸阳 712000)

煤矿开采主要集中在地下矿井中，在开采过程中不可避免地会涌出大量的瓦斯、粉尘等有毒有害气体，对煤矿开采过程的安全构成了严重威胁[1]。对矿井进行通风，将井内有毒有害气体及时排出，同时向矿井内部输入新鲜空气，是保障煤矿生产安全的重要举措[2]。当前，为了提升通风机系统运行的可靠性，通常采用的是冗余设计，准备2台通风机，1台作为主用设备，1台作为备用设备，并且2台设备采用单独的线路进行供电。但是对通风设备的监控系统过于简单，一些关键的参数需要通过人工方式进行分析和处理，这使得监控系统的准确性和时效性都大打折扣，无法及时发现问题并解决问题，仍然存在一定的安全隐患[3]。

本文充分结合矿井的实际需求，设计研究了通风机远程监控系统，可以在地面监控中心对井下的通风设备进行远程监控。一旦检测发现通风机存在安全隐患或故障，可以通过声光警报方式及时提醒相关人员。对于保障矿井的安全和可靠运行具有重要意义。

1 矿井通风机基本情况概述

1.1 矿用通风机系统特点分析

主要以轴流式通风机为例进行介绍。为提升矿井通风系统运行可靠性，通常在2个回风井通道中分别安装2台功率、型号完全一样的通风机[4]。矿井中使用的通风机系统整体结构可以划分成5大部分：①主电机。回风井通道中需要安装2台通风机，每台通风机配备1台电机，电机与通风机之间通过传动结构进行连接。②冷却通风机。通风系统通常要求24 h连续工作，工作时会产生很多的热量，为降低发动机运行时的温度，要在旁边配备冷却通风机对其进行散热。③电机加热器。备用电机在应急启动时，如果温差过大可能导致其无法正常工作，需要通过加热器对其进行预热处理。④润滑站[5]。通风机系统运行时，电机做高速旋转运动，零件之间发生明显摩擦，为降低摩擦受损以及摩擦生热问题，需要对电动机进行润滑。⑤风门。每台通风机和回风通道接口部位都设置了风门，且需要单独进行控制，根据需要实现风门的开合。

1.2 通风机结构组成分析

通风机结构如图1所示。从图1中可以看出，通风机主要由扩散器、集风器、工作叶片、流线体、动轮、整流器、机壳等部分构成。其中集风器整体呈现为曲线形状，且越往里面其口径逐渐缩小。

图1 通风机结构组成Fig.1 Structure composition of fan

流线体整体上呈现出曲面圆锥形状，其作用是对轮毂进行遮盖，集风器和流线体共同形成入风口。工作叶片安装在动轮上面，其安装角度可以根据实际需要实时调整，可以调整的角度主要包括6种，分别为15°、25°、30°、35°、40°和45°，工作叶片安装时要求相邻叶片之间的距离保持相等。通风机工作时，动轮旋转带动工作叶片旋转，由于工作叶片带有弧度，在旋转过程中会和空气之间产生冲击，空气被叶片挤进气道，迫使空气以一定的速度流动。动轮后侧还安装有整流器，其作用是对流入的空气进行整流处理，避免产生涡流损失现象，使空气流动速度降低。扩散器的作用是增加气体流动时的静压，防止气体流动过程中与筒壁发生冲击、降低气体流动的能量。

2 远程监控系统的整体方案设计

2.1 监控系统的层级

设计的通风机远程监控系统既有集中控制的思想，又有分散控制的思想。监控系统总体上可以划分为3个层级。

(1)现场监测及控制层。该层级需要完成2个方面的工作。①利用各类传感器和测量装置对通风系统现场的装置和设备的运行状态信息进行实时检测；②需要根据中央管理层的控制指令对现场的设备进行控制，如可以对风门的开启和闭合状态进行控制[6]。现场监测及控制层通过RS485接口实现与中央管理层之间的数据交互，监测得到的数据信息会实时传输到中央管理层。

(2)中央管理层。主要包括数据采集装置、工业计算机、不间断电源等。作用是对现场监测得到的数据信息进行采集与管理，并将其输送到远程监控层中分析和处理。远程监控层下达的控制指令也需要通过中央管理层进行判断后传输到现场终端，对通风机系统进行控制。

(3)远程监控层。主要包括监控大屏、监控计算机、数据服务器等，中央管理层与远程监控层之间通过工业以太网实现数据传输。监控大屏实时显示通风机系统的运行状态数据信息，管理人员可以随时查看。

2.2 远程监控系统具体方案设计

通风机远程监控系统具体方案如图2所示。整个远程监控系统主要由各类传感器、S7-200型PLC控制系统、视频监控系统、工控机等部分构成。从功能层面可以将其划分为上位机部分和下位机部分[7]。

(1)下位机部分。最重要的是S7-200型PLC控制系统。为了安装方便以及后续维护保养的便捷性，PLC控制系统采用模块化设计。现场使用的各类传感器、设备都需要接受PLC控制系统的控制。利用温度传感器、压力传感器、风量传感器等设备，可实时监测通风系统的运行状态[8]。

图2 通风机远程监控系统具体方案Fig.2 Concrete plan of the remote monitoring system of the ventilator

(2)上位机部分。作用是对下位机部分采集的数据信息进行实时显示，还需要对数据信息进行分析。在监控系统内设置安全阈值，一旦实际运行参数超过安全阈值就会向外发出警告。同时下达控制指令，实现对通风系统的远程控制，所有数据信息都会存储以便后续查询。

3 主要硬件设施选型及软件程序设计

3.1 硬件系统总体设计

硬件是确保系统可靠运行的基础和前提。通风机远程监控系统的硬件整体构成如图3所示。

图3 监控系统硬件总体框架Fig.3 Overall framework of monitoring system hardware

从图3中可以看出，整个硬件可以划分成为监测部分和视频部分。其中，监测部分又可以划分为上位机部分和下位机部分，下位机主要以PLC控制器为核心，同时包含有很多传感器，实现对通风机现场状态数据信息的采集与监控；上位机部分主要包括工业级计算机，通过光纤网络实现与下位机部分的连接，上位机需要将下位机采集得到的数据信息进行处理、存储、分析等，并可以对通风机系统进行远程控制。视频部分主要是高清摄像仪，通过摄像仪对通风机房以及风门部位进行取像。采集得到的视频信息通过光纤网络传输到监控室，可协助完成通风机的远程控制。通风机现场出现故障时可以快速对问题进行定位，并引导维修人员快速到达现场，缩短故障排除时间。

3.2 通风机监控系统的主控电路设计

通风机远程监控系统的主控电路设计如图4所示。如图4所示，共包含有3台电机，1台为风门部位电机，2台为液压站泵电机A和B。通过KM1和KM2两个交流接触器实现风门电机的正反转控制，使用KM3和KM4分别对2台液压站泵电机A和B进行控制。KM5交流接触器的作用是对液压站的加热情况进行控制，R3表示电阻，运行时功率可以达到5 kW。QF0表示隔离开关，1RJ1、1RJ3、1RJ4依次表示3台电机的热继电器。

图4 通风机远程监控系统的主控电路设计Fig.4 Main control circuit design of remote monitoring system for fan

3.3 主要硬件设施选型设计

(1)主控制器的选型。首先要明确连接的传感器数量以及智能巡检仪的路数，同时预留一定的余量，以便远程监控系统后续功能的拓展。结合以上实际情况，选用S7-200型PLC控制器，其CPU模块为226型号，该型号控制器的I/O接口数量以及内存大小均能满足系统实际需要以及后续功能的拓展要求[9]。S7-200型PLC控制器实物如图5所示。

图5 S7-200型PLC控制器实物Fig.5 Physical picture of S7-200 PLC controller

(2)传感器的选型。传感器的作用是利用敏感元件对通风机系统的运行状态进行监测，其原理是将非电量的状态信息转变成为电量信息，进而计算得到通风机系统的状态信息，并对其进行显示。传感器的基本工作原理如图6所示。

图6 传感器的基本工作原理Fig.6 Basic working principle of the sensor

选用的传感器类型有很多种，远程监控系统使用的传感器名称及型号见表1。

表1 远程监控系统使用的传感器名称及型号Tab.1 Name and model of the sensor used in the remote monitoring system

传感器检测得到的信息会实时传输到S7-200型控制器中进行分析，判断这些状态信息是否在安全阈值范围内。同时，传感器需要接受远程监控系统的控制，按照要求启动和停止工作。为了保障传感器工作时的安全性，所有传感器都必须具有隔爆功能。

(3)高清摄像仪的选型。在设计远程监控系统时，兼顾系统的建设成本以及安全需要，选用了2种类型的高清摄像仪[10]。①不具备防爆功能，具体型号为PTZ-4GOS1-DH200WS/D6-W-XG，主要安装在没有防爆要求的场合，比如机房操作台、配电室等位置；②具有防爆功能的摄像仪，具体型号为KBA，主要安装在有防爆要求的场合，比如风门位置。矿用高清摄像仪如图7所示。

图7 矿用高清摄像仪Fig.7 Mine HD camera

3.4 系统的软件程序设计

(1)远程监控系统的主程序。矿井通风机远程监控系统的程序流程如图8所示。

图8 远程监控系统的主程序流程Fig.8 Main program flow chart of the remote monitoring system

系统启动后首先对系统参数进行初始化处理。然后上位机开始下达指令，对下位机采集的数据进行收集，需要收集的数据包括通风机使用的电力参数、故障处理参数以及风机的开启、停止参数等。上位机对数据信息进行分析，判断是否在安全值范围内。比如，如果发现油位不足则立即启动油泵供油，发现风门未开启则立即下达指令开启风门。

(2)备用通风机启停控制程序。如果主通风机出现故障无法工作时，在短时间内启动备用通风机显得非常关键，对备用通风机的启动与控制程序非常重要。备用通风机的启动与停止控制流程如图9所示。需要判断主通风机是否停止运行，如果确实停止运行则需要立即启动备用通风机。为了保障备用通风机的正常稳定运行，需要对油压、电机定子绕组温度、轴承温度等进行实时监测。

图9 备用通风机的启动与停止控制程序流程Fig.9 Flow chart of the start and stop control program of the standby fan

(3)故障报警程序。不管是主通风机还是备用通风机，其在运行时都需要对其状态数据信息进行实时监测和采集。具体采集的数据信息包括通风机工作时的电流和电压、电机内部定子和轴承的温度、电机转速、风机静压、油站的温度和压力、通风机在横向和竖向的振动情况。系统针对以上数据信息全部设置了安全范围，如果检测到的状态数据信息超过了安全范围，时间超过2 s，系统就会判断存在安全隐患或故障问题，进而在上位机监控大屏上显示对应的故障问题，并发出警告。

4 应用效果分析

将以上设计研究的远程监控系统应用到煤矿开采工程实践中，对其应用效果及产生的经济效益进行了详细分析。

4.1 通风机远程监控系统的应用效果

(1)利用远程监控系统可以对通风机进行远程监控，提升了通风机运行的可靠性。一旦矿井通风机出现故障问题，该监控系统能够及时发现故障问题，为缩短故障的排除时间奠定了良好的基础。

(2)使用远程监控系统后，工作人员可以通过监控大屏实时观察通风机系统的现场情况，通过远程方式控制备用通风机启动，显著缩短了备用通风机的启动时间。

(3)远程监控系统在矿井内安装了很多风速、风量传感器，可实时监测通风情况。如果系统监测到通风存在异常，会发出声光警报。通过传感器还可以对开关柜、通风机设备本身的运行状态进行实时监测，可以及时发现设备运行时出现的小问题，避免引发更大的风险隐患。

4.2 效益分析

(1)远程监控系统的应用，使得通风机系统可以充分根据工作面实际通风情况来调整电动机运行的效率，以便调节通风量的大小。可以起到节能减排的效果，为煤矿企业节省能源消耗费用。

(2)使用远程监控系统前，为了确保通风机运行的可靠性，需要安排专人对通风机进行值班看守，为煤矿企业增加了大量的人力成本。在使用远程监控系统后，则不需要安排专人对通风机进行看守，只需安排巡逻人员对通风机进行巡逻即可，人员数量有了明显的降低。

5 结论

在分析矿用通风机实际工作情况的基础上，设计研究了远程监控系统：①设计的矿用远程监控系统总体上可以划分为3个层级，不同层级发挥着不同的作用，共同实现远程监控系统的各项功能；②远程监控系统的主控制器选用的是S7-200型PLC控制器，利用各类隔爆传感器对通风机系统的运行动态数据信息进行实时监测，选用高清摄像仪对现场的情况进行摄像并传输到井上监控中心，辅助完成控制工作；③远程监控系统工作时，可以对主通风机和备用通风机的启停进行精准控制，保障通风机系统运行的可靠性，同时还对设备运行过程中的安全隐患问题进行实时判断，一旦发现存在问题及时显示在监控大屏中，并发出警报；④将设计的远程监控系统应用到通风机工程实践中，取得了较好的应用效果，通风系统运行的可靠性得到显著提升，有效保障了矿井安全，同时还为煤矿企业节省了大量的能源消耗和人力成本，产生了一定的经济效益。

参考文献(References)：

[1] 李君年.低透气性煤层瓦斯抽采技术研究与应用[J].煤，2021，30(5)：45-47.

Li Junnian.Research and application of gas drainage technology in low air permeability coal seam[J].Coal，2021，30(5)：45-47.

[2] 李瑞锋，安世岗，任玺宁，等.保德煤矿瓦斯储层特征及主控因素研究[J].能源与环保，2018，40(2)：43-47，58.

Li Ruifeng，An Shigang，Ren Xining，et al.Study on characteristics and main controlling factors of CBM reservoirs in Baode Coal Mine[J].China Energy and Environmental Protection，2018，40(2)：43-47，58.

[3] 李威，李炜中.大孔径钻孔大流量瓦斯抽采技术研究与应用[J].能源与环保，2020，42(4)：83-86.

Li Wei，Li Weizhong.Research and application of large-diameter borehole and large flow gas extraction technology[J].China Energy and Environmental Protection，2020，42(4)：83-86.

[4] 苏江明.高瓦斯矿井局部通风机供电可靠性分析[J].能源与节能，2018(9)：115-116，120.

Su Jiangming.Analysis of the reliability of power supply of local ventilators in high gas mine[J].Energy and Energy Conservation，2018(9)：115-116，120.

[5] 徐善辉，陈学伟，陈保淦.高瓦斯矿井局部通风机运行可靠的使用经验[J].内蒙古煤炭经济，2014(4)：135-136.

Xu Shanhui，Chen Xuewei，Chen Baogan.Reliable operation experience of local ventilator in high gas mine[J].Inner Mongolia Coal Economy，2014(4)：135-136.

[6] 赵晋龙.煤矿矿井通风安全的影响因素及管理标准化措施[J].中国标准化，2017(2X)：23-25.

Zhao Jinlong.Influencing factors of coal mine ventilation safety and management standardization measures[J].China Standardization，2017(2X)：23-25.

[7] 孙浩.煤矿矿井可视化通风系统的探索[J].科技创新与应用，2015(25)：123.

Sun Hao.Exploration of visualized ventilation system in coal mines[J].Technological Innovation and Application，2015(25)：123.

[8] 辛兵.煤矿矿井通风安全管理措施探究[J].山西煤炭管理干部学院学报，2015，28(2)：70-71.

Xin Bing.Research on safety management measures of coal mine ventilation[J].Journal of Shanxi Coal-Mining Administrators College，2015，28(2)：70-71.

[9] 刘宁.煤矿通风监控系统智能修复技术研究[J].能源与环保，2020，42(11)：138-141.

Liu Ning.Research on intelligent repair technology of coal mine ventilation monitoring system[J].China Energy and Environmental Protection，2020，42(11)：138-141.

[10] 赵晋红.矿井通风机在线监测系统设计研究[J].能源与环保，2019，41(11)：103-106.

Zhao Jinhong.Design and research of online monitoring system for mine ventilator[J].China Energy and Environmental Protection，2019，41(11)：103-106.