矿用通风机在线监控系统的设计与研究

郭俊玲

（山西新安工程设计咨询有限公司，山西 太原 030006）

引言

井下煤矿开采环境存在闭塞、易出现有害气体聚集等情况，因此井下煤矿开采安全生产的前提是保证地面新鲜空气源源不断地输入地下空间。通风机就承担了往井下输送新鲜空气的责任，因此通风机设备的运行状况直接关系到矿井生产的安全及企业的经济效益。根据相关资料统计，煤矿安全事故中约占60%与矿井通风故障和操作管理不当有关，由此可见提高输送机的可靠性具有重要意义。

由于井下设备众多，人工管理起来非常复杂，很难做到对设备的实时巡检。实时性、可靠性很不理想，具有很大的安全隐患。通风机在线监控系统的诞生就解决了管理难的问题，监控系统基于PLC 控制技术、无线通信技术、变频控制技术等，实现对通风机的实时监测与控制，可实现24 h 不间断地对设备的状况进行监测与控制，减轻了工作人员的劳动强度的同时，极大地提高了设备的工作效率[1]。

1 矿用通风机

通风机虽然有较多的类型，但其基本结构与原理是相似的，矿井主通风系统一般设置有两个通风口进行通风，两个通风口互为备份，当一处的设备出现故障时，可以启用另一处通风口。如图1 所示为轴流式风机的一般结构，该型通风机能够在煤矿生产企业中得到广泛的应用，因为其具有较多的显著优点。其主要结构特点是电动机轴承和风扇叶片轴承直接连接在驱动电机轴承上，这样传递效率高，通风噪声小，可以有效降低设备工作能耗[2]。

如图1 所示，通风机集流器主要作用是收集进入通风机的气体，使气体通过通风机时更加平稳顺畅；消音器的作用是降低通风机工作时产生的噪声；整流罩可以改善空气流动特性；电动机是通风机输送气体的动力来源；一、二级叶轮的主要作用是将驱动电机的旋转动能转化为空气向前运动的动能，使得空气被压缩而具有更好的动能；扩压器的作用是回收风机的动压，使通风机的静压比例得以提高，改善空气流通特性。

图1 通风机结构图

2 控制系统总体设计

控制系统的总体设计需要满足一定的设计原则，同时要能够实现对通风机的在线监测与控制，以某煤矿为研究背景，设计主通风机的变频控制和在线监控系统，该通风机控制系统总体布置结构如图2所示。该系统主要包括三层结构：第一层结构为检测终端，主要是检测设备状态参数的各类传感器；第二层结构设计为无线通信技术与信号交互设备，主要负责将采集到的信息传递至地面控制中心；第三层结构为中央控制计算机，主要负责对整个控制系统的信号显示与设备控制等操作[3]。

图2 矿井主通风在线监控系统结构

根据项目的实际需要，提出了通风机在线监测系统各项功能设计指标，总结如下：实现对主通风机速度的变频控制功能；监测环境气体参数；能够对潜在危害实时报警；通风机驱动电机状态监控与控制等。主通风机在线监控系统方案采用的是“集中式管理，分散式控制”的系统架构，实现对通风机的监测与控制[4]。

3 系统硬件设计

根据《煤矿安全规程》等相关的系统安全规范，井下监控系统采用了两套独立的供电系统；控制系统的硬件结构设计在满足其自身功能的基础上，力求具有更好的性能。下面对通风机监控系统的主要硬件结构的设计作简要介绍：

3.1 变压器

主通风机系统低压配电柜的两个独立的电源是由2 台变压器组成，变压器设计采用了宁德时代的R11-1000/6/0.4kV，变压器工作容量为1 000 kVA。

3.2 PLC 控制器

系统中控制器是监控系统的核心，控制器的性能直接影响到控制系统的灵敏度及监控精度，该系统中设计选用德国SIEMENS 公司的SIMATICM6-240 系列PLC 控制器，该型PLC 控制器具有性能优越、稳定性好、操作简单等优点，如图3 所示，为SIMATICM6-240 系列PLC 控制器基本结构示意图[5]。

图3 PLC 控制器结构

3.3 变频器

驱动电机的变频器，设计选用宁德时代的ET70-45 型变频器，该型变频器长期以来在煤矿通风机领域都有一个较好的应用效果，该产品具有可靠性好、适应性强的优点，非常适用于进行环境。

其他设备硬件如瓦斯浓度检测传感器、矿用风速传感器、通风机振动传感器、参数的采集传输等设备的设计选型均满足系统设计要求[6]。

4 系统软件设计

软件程序是控制系统的灵魂，对于整个控制系统而言，安全平稳可靠的软件系统对保证整个控制系统的性能具有十分重要的作用。该系统在程序设计与编写过程中，首先对整个矿井主通风控制系统的各项功能以及结构设计进行梳理研究，采用结构化编程，将各个功能子集化，最后将其集成到总的控制系统中。这样既方便编程，又便于监控系统的管理与操作，将整个大的控制系统分解为许多子控制系统块，子程序监测和控制具体的设备，可以节约较多的时间，实施起来也较容易，如图4 所示为主程序与子程序结构设计关系。

图4 软件程序结构框图

在系统工作时，主程序在执行过程中只是按照一定的逻辑调用每个子系统程序块，从而实现整个矿井主通风系统的监测与控制，软件结构清晰明确，当子程序出现问题时也可以及时进行修复，避免对全局造成影响。监控系统软件及系统数据库的建立均采用第三方专业程序编辑公司合作完成，编程软件采用Siemens 公司的STEP8-Micro/WIN 软件完成；监控系统数据库的模型是基于SQL Server 创建。

5 系统功能的实现

在对系统的硬件与软件等进行设计后，需对系统功能进行联调、联试，当上位机开启并正常运行之后，就进入“监控主页”，如下页图5 所示为通风机状态监控系统监控界面。在监控页面的菜单栏上，监控主页与其他界面可以自由选择切换，系统实时显示通风机的状态参数，并可显示主通风系统关键参数如风量、电流、电压、有害气体浓度等，根据这些参数即可判断通风机的状态。

图5 主通风机运行状态监测界面

根据监控系统在主通风机监测画面，系统很好地实现了对通风机数据的监控。通过实践应用表明，系统整体达到了设计目标，为井下通风系统的设计提供了有力参考。

6 结语

矿用通风机是煤矿安全生产的重要保障，对于保证井下环境空气安全起到了非常重要的作用，以某矿业公司通风机电控系统改造为背景，设计一套通风机在线监控系统，监控系统采用“分散控制，集中管理”的监控控制逻辑。在硬件设计方面，设计了合理的控制电路，并且对于PLC、变频器等硬件的设计与选型作了简要介绍；在软件设计方面，利用Siemens 公司STEP7-Micro/WIN 编程软件实现了下位机PLC 的程序设计，最后实现了对通风机的在线监控系统的设计。对监控系统各项功能指标进行检测，均达到了设计要求，该系统的研发与应用，优化了矿井通风系统，提高了通风效率，对通风机监控系统的设计具有较大的参考价值。