煤矿主扇风机监测系统软件平台设计

许鹏，王先宏，杨正华

（1.北京工业职业技术学院 机电工程学院，北京，100042；2.中车株洲电力机车研究所有限公司，湖南株洲，412001）

0 引言

煤矿主扇风机运行具有设备多且分散，监测参数多，监控难度大等特点。风机的安全稳定运行，是保证煤矿生产作业人员安全的重要前提，提早预防和处理风机在运行过程中的各种故障，进行系统的在线监控和诊断是煤矿安全生产信息化、自动化的必然要求[1]。

目前我国还有许多传统型旧式煤矿，主扇风机的运行仍然采用人工或分散监测的运行管理方式，无法实现集中化管理，可靠性和效率偏低，导致系统出现故障的概率增大。而对于大型矿用轴流式风机来说，喘振问题也是风机安全稳定运行一个重要方面，应该在监测系统中加入该模块功能。综上所述，无论从安全还是从管理角度，构建主扇风机监测管理平台，确保系统安全稳定高效运行，减少重大事故的发生，都是十分必要的。

本系统针对煤矿信息化改造的实际需求，利用高性能的前端数据采集和处理单元，以稳定、可靠、精确的软件系统将采集的数据发送给工控主机进行分析、计算，并显示存储，从而对风机的运行状态集中进行在线监测，为风机的安全、高效运行提供实时的数据支撑。

1 监测系统总体设计方案

主机选用研华IPC-510系列工控机，采用组态王软件对监测平台进行开发。如图1总体设计框图所示，各项监测用传感装置的供电、数据变送单元安装在控制柜内。通信接口通过集线器与工控主机串口通信。软硬件设计均采用分层模块化开发形式，每个设计层级均可快速显示现场数据和生成历史数据图形，提高了整个系统的可靠性和稳定性，更方便现场操作人员使用和维护。

图1 系统总体设计方案结构框图

设备数据采集单元采用多通道并行数据采集方案，每个采集通道采用独立的AD转换器，可设置不同毫秒等级的数据采集间隔时间，减少信号干扰，完成精确的实时采集任务[2]。

2 功能模块的设计

2.1 电机温度的监测模块

电机温度监测系统分为一主一备用双冗余系统，每套排风机系统均包含送、引两台电机。监测硬件选用KCM-XJ 系列16路温度巡检仪。温度传感器采用PT00三线制热电阻。热电阻单元分别安装于每台风机的A、C两相定子以及前轴、后轴等四处，共16个点，实时监测各个点位温度数值。

温巡仪与上位机的通信可选择AD变送器模块或直接选择带485通讯功能模块的单元，将其与上位机串口对应位相连接。这里为了减小通信信号传输干扰和煤安防爆要求，选用专用屏蔽双绞线进行连接、敷设。

2.2 电参数监测单元设计

如图2所示，系统三相电参数主要包括每台风机的系统电压、运行电流、运行频率以及运行功率[3]。这些电参数的监测原设计系统是通过EDA9033A互感A/D测量、转换模块中得到。后期系统可加装具有485通信功能的G7型高压变频器设备，可在软件系统中设置通信接口和数据后直接读取并显示变频器的相关数据。

图2 EDA9033A模块接入系统测量电参数原理图

监测的系统电压U为三相线电压的平均值。

2.3 振动数据的监测与报警模块

振动的监测主要监测风机在一个振动周期内，振动速度瞬时值平方后平均值的平方根[4]，其数学表达式为：

Vrms—振动速度有效值的方均根值，单位(mm/s)；T—振动周期；

V(t)—随时间t变化的振动速度函数，单位(mm/s);

振动监测一般分为刚性支承和挠性支承两种，采用有效值检波特性的特殊一期进行测量[5]。根据通风机振动检测及其限值的国标机械行业标准，对于刚性支承，Vrms≤4.6mm/s；对于挠性支承Vrms≤7.1mm/s。由于本系统应用现场风机直接与刚性底座基础紧固连接，故采用刚性支承作为振动报警阈值。传感检测装置分两组分别外装于各通风机水平、垂直中心线方向[6]。

振动监测硬件选用TXY9200系列防水振动传感器，输出信号4-20mA电流信号，通过DAQM4206-A/D模数转换模块转为485通信信号，与上位机进行串口通信。通信协议为标准的Modbus-RTU协议。

2.4 负压、风量数据采集与实现

负压监测是反应风机是否有良好的通风的重要数据指标。本系统采用高精度的3051单晶硅差压变送器，输出4-20mA电流信号，用于风道差压监测。报警阈值设为2k pa。

风量采用由流量传感器、差压变送器以及流量计算仪等组成的一体化流量传感器进行监测、计算。风量流量计算依据伯努利方程工作原理[7]：

其中，Q-气体瞬时流量（m3/S）；Qmax-流量上限（m3/S）；∆P- 测量差压（Pa）；∆Pmax- 差压上限（Pa）；P1-设计压力（Pa）；P0- 实际压力（Pa）；PS-标准大气压（Pa）；T0- 设计温度（K）；T1- 实际温度（K）。

2.5 喘振预警线的设置

矿用通风机目前使用最广泛的是气体沿旋转轴的方向流动的轴流式通风机。轴流风机分为单级和多级[8]。本文重要研究的是单级轴流风机喘振问题。由于这种通风机结构较复杂、可靠性与安全性较离心式风机较低。当风量由于外部原因发生阻塞，而风机叶片转速并不减小的情况下，会在一些叶片尖端形成失速团，从而形成扰动阻塞以至于后来进入的气流会发生无规则运动。如果这种失速现象加剧，失速团遍布整个叶片，那么风机运行状况会急剧恶化，造成突变性失速，便会引起喘振的发生。喘振的气流周期性流动，会对风机叶轮和轴承连接件产生巨大的冲力，直接威胁到矿井的通风系统的安全。

结合上述喘振成因分析，以及通过对单级轴流风机的相关试验数据的分析，得如图3在风机动叶不同开度角度和不同管网阻力情况下的风机性能曲线[9]。风机正常工作点位于正常管网阻力特性曲线Ⅰ与动叶5。时的性能曲线交点B。当管网的阻力特性发生变化，使阻力曲线上移至曲线Ⅱ，此时工作点将上移至C点，较B点风压升高、流量减小。如果管网阻力进一步加大，则工作点将进一步上移，到达一个新工作点D。此后如果阻力还进一步加大，则会出现风机送风不足的情况，此时风压P将低于D点的压力，这样风将从风机中倒回，风道中的压头将迅速下降。当风道压力下降后，形成压力差，风机又将恢复送风，压力回升。当压力再次高出风机所能提供的压头时，将往复循环上述过程，形成喘振。这里的D点就称为该动叶角下喘振的临界点。对不同动叶角度下的性能曲线进行分析和作图便可得到不同的的临界点，将临界点连线便可得到图3中最上边缘的喘振临界线。

通过上述分析能够看出，当风机的运行点超过喘振的临界线时，便有发生喘振的危险。所以理论上，图中的上边界线就是判断系统是否会发生喘振的预警线。但实际情况下，如果实际运行工况达到这条边界点附近，那么若发生喘振将基本无法挽回。所以一般要将边界线下平移5%～10%的距离，作为预警线。当工作点进入预警区域及左上部分，系统软硬件便可触发报警。

从图3中也可以看出，报警后，在一定范围内调控风机的动叶角度，或者控制风机变频调速提高管网出风量等，可以将工作点拽离预警线向右下方移动[10]。

图3 风机喘振预警线分析示意图

2.6 外置报警单元

建立系统内部变量作为中间检测变量，根据不同的检测物理量报警阈值需求，按控制要求设计合理的逻辑关系，并利用XHCK-4400串口继电器和警报器来组成外置报警单元。也可以利用串口继电器单元的多个输出接口扩展多个外置报警单元，从而实现分区域报警指示功能。

3 调试运行

3.1 主监测系统的运行

风机监测软件系统利用组态王软件，采用分层级结构进行开发。主监测界面是一般工况环境下开机运行的显示主界面。它包括温度、振动、负压、风量、报警指示、三相电参数等各项实时显示数据和标识，并开发了风机运行指示、管道风量运动标识等动态显示单元[11]。

下图4为工作现场，1#主通风机正常运转时，上述各部分数据的实时监测显示界面。

在主界面下方分布有实时报警窗口，动态记录当前最近的十条报警信息，及时提醒工作人员查看或采取相应措施。

3.2 风机温度曲线的显示

每个界面右上方设置如图4所示六个功能选择按键，用户可以通过选择“图形监测”选项进入相应机组的历史数据查询、显示界面。下图为一号风机作为主设备运行时，某一时刻电机定子A相、C相绕组温度，前后轴温度监测的历史数据曲线图形。

图4 主监测系统界面及现场运行数据

每项监测数据均可在“高级设置”里的“报警参数设置”界面在线进行报警阈值的修改、设置。与图5电机温度监测历史图形界面开发类似，其他各项数据的历史图形的开发也均采用图5所示图素单元表示，只不过各项数据纵轴范围，要根据对应数据的合理值范围进行设置。

图5 1#1级电机现场运行的温度监测曲线

3.3 报表与数据库存储

(1)风机运行的报表数据

系统报表作为监控系统按时间生产的生产情况日志形式进行设计、制作，主要包括了各风机地送、引风机在各时间节点的风量、负压以及电参数等工作信息。下图为现场1号风机部分工作时间的报表输出数据。通过输入查询日期可查询自设时间区间段内的任何自然天的历史数据（本系统设计时间域为一年）。

报表查询的部分设计代码：

图6 1#风机运行的报表数据

(2)数据库存储与查询

系统数据访问功能支持ODBC访问接口，可通过建立Access数据库源，连接系统软件查询界面表格实现软件系统与数据库的通信、存储功能。并针对关键报警数据可实现分条件查询功能。系统软件与上述数据库相连接，可实现只依赖于物理存储空间要求的无限制存档与查询功能，完全能够满足煤矿全过程运行等要求。

3.4 喘振监测预警系统的硬件设计与调试

根据上述轴流风机在叶轮进口处装置喘振报警装置，该装置是由一根彼特曼管布置在叶轮的前方，开口对着叶轮的旋转方向。彼特曼管是将一根直管的端部弯成90°（将开口对着气流方向），用U形管与其相连，则U形管（压力表）的读数应该为气流的动能（动压）与静压之和（全压）。在正常情况下，彼特曼管测量的是叶轮前的压力，气流压力为负值。但是当风机进入喘振区工作时，由于气流压力产生大幅度波动，所以皮托管测到的压力亦是一个波动的值。为了使皮托管发送的脉冲压力能通过压力开关发出报警信号，本系统皮托管的报警值是当动叶片处于最小角度位置（本系统设为-30°），用U形管（压力表）测得风机叶轮前的压力再加上2kPa压力，作为压差开关的报警整定值。

当运行工况超过喘振极限时，通过压力检测装置测量压力与风机出口处压力差值，利用差压开关的声光向控制台发出报警信号。由于轴流风机运行工况和流量特性复杂多变，喘振的监测、预警过程存在一定的不确定性。在软硬件联合设计中，应考虑风机启动过程中有可能会通过预警范围，为了防止误报警，在风机启动运行时可考虑一定的延迟后再进行报警监测。当监测到喘振预警后，也应该在15s内进行连续监测，待确定后再进行后续调控，以防止误报警、误停机的发生。

4 实际应用

目前该系统已投入煤矿主扇风机监测现场，系统运行稳定。与改造之前相比，解决了现场一直以来各传感监测模块只能分散记录，信号传输和预警延迟，监测数据无法长时间存储与分类查询、显示，以及无法快速生成统一报表等诸多实际问题。