煤矿通风机监控系统应用研究

焦婉莹，史佳豪，赵向杰

(西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089)

煤矿开采通常是在井下进行，对通风条件提出了相对较高的要求，良好的通风是确保煤矿生产安全的重要基础[1]。煤矿开采矿井中通常需要配备通风机系统，利用该系统可以将矿井内部包含的粉尘、有毒、有害气体及时排出井外。为了保障矿井安全，通风机系统需要连续运转，对其运行稳定性和可靠性提出了很高的要求[2]。一旦通风机系统出现故障问题没有及时发现，可能引发煤矿生产安全事故，轻则导致煤矿生产停止，重则引发严重人员伤亡事故。统计数据表明，煤矿生产安全事故中，70%以上是由于通风机系统故障问题或者管理不善[3]。基于此，有必要对煤矿通风机系统设计监控系统，以便实时掌握设备的运行状态，提升通风机运行的稳定性和可靠性[4]。本文主要以某煤矿中使用的通风机为研究对象，结合实际情况设计了监控系统，并将其成功应用到工程实践中，取得了很好的效果，值得其他煤矿企业借鉴。

1 整体方案设计

本文主要以某煤矿中使用的主通风机系统为对象设计监控系统，该煤矿主通风机系统的整体布局如图1所示。从图1中可以看出，该通风机系统共包含2台通风机。其中，1台作为主用通风机，另一台作为备用通风机，且每台通风机配备了两级电机，通过冗余设计能提升通风机系统运行的可靠性。设计监控系统时，要求通风机系统能根据矿井的实际需要输出对应的风量，在对通风量需求比较小时，只开启一级电机，对通风量需求较大时，则需要开启二级电机。当主通风机出现故障问题时，监控系统切换两台通风机的运行状态，立即启动备用风机工作。

图1 矿井主通风机系统的整体布局Fig.1 Overall layout of the mine main fan system

结合矿井对通风机系统的实际需求，按照“集中管理，分散控制”的思想，对监控系统整体方案进行了设计。矿用通风机监控系统整体结构如图2所示。

图2 煤矿主通风机监控系统的整体方案Fig.2 Block diagram of overall scheme of monitoringsystem of main ventilator of coal mine

由图2可知，监控系统共可划分成为3大部分，分别为现场测量部分、基础控制部分和监控管理部分。其中，现场测量部分主要作用是对矿井中的环境情况以及通风机运行状态数据进行采集；基础控制部分的作用是对采集到的数据信息进行分析处理，判断通风机系统运行状态的好坏，或者通风量是否满足矿井的使用需要；监控管理部分的作用是对采集数据和处理结果进行显示，以便工作人员实时掌握风机和矿井环境的状态。另外，工作人员还可通过监控管理部分下达控制指令，通过PLC控制器对通风机进行控制。基础控制部分和现场测量部分通过485总线/Modbus协议实现数据信息交互，基础控制部分和监控管理部分之间通过工业以太网实现数据信息的交互。

2 主要硬件设施的选型

2.1 PLC控制器选型设计

对于监控系统而言，PLC控制器是核心硬件部分，其性能好坏会对整个系统运行的效率和稳定性产生决定性影响。在充分分析不同类型PLC控制器优缺点以及本监控系统实际需要的基础上，选用的是西门子公司研制的S7-200型控制器。该类型控制器具有接口丰富、体积小、功耗低、运行可靠性高等众多优势，在工业领域得到了非常广泛的应用[5]。S7-200型PLC控制器的基本结构如图3所示。由图3可知，PLC控制器由多个单元构成。

图3 S7-200型PLC控制器的基本结构Fig.3 Basic structure of S7-200 PLC controller

PLC控制器中不同模块类型的选择，同样会影响控制器的运行性能。CPU是控制器的重要模块，使用的是CPU226 CN型模块，此模块具有24个数字量输入接口和16个数字量输出接口，还包含2个RS-485通信接口。其中，数字量输入模块和输出模块的型号分别为EM221 CN DC和EM222 CN DC。选用的工业以太网模块型号为CP243-1，作用是与上位机通过工业以太网实现数据信息的交互，此模块需要通过24 V DC电源进行供电。

2.2 关键状态参数监测硬件设施

监控系统主要是利用专业的传感器对通风机的运行状态和通风参数进行检测，检测的效果会对监控效果产生非常重要的影响。以下对系统中使用的关键状态参数监测硬件设施进行选型设计。

(1)电量参数采集模块。对于通风机系统而言，供电过程的稳定性对设备的正常运行有非常重要的影响，设备一旦出现断电问题将无法正常工作。因此,有必要对通风机的电量参数信息进行实时检测，主要检测设备运行时的电压、电流、功率等参数。本系统中选用SMT18N2型模块对通风机的电力参数进行综合检测，此型号模块具备20路端口，可同时对多种电力参数信息进行检测。电量采集模块直接安装在配电柜中，通过RS485接口进行连接，采集获得的参数基于Modbus总线协议传输到PLC控制器中进行分析处理。电量采集模块的接线原理如图4所示。

图4 电量采集模块的接线原理Fig.4 Wiring schematic diagram of power acquisition module

(2)振动传感器。设备运行时不可避免地都会发生振动现象，振动幅度如果相对较小，则影响不大。但如果振动幅度过大，必然会影响设备的运行稳定性，所以有必要对通风机设备工作时的振动状态进行检测[6]。使用的是XZD-YB型振动传感器，可以同时对设备在X方向和Y方向上的振动情况进行检测。检测得到的是4～20 mA的模拟量信号，需要利用A/D转换器将模拟量信号转变成为数字量信号后，再通过Modbus总线协议传输到PLC控制器中。

(3)负压传感器。通风机系统正常工作时有3个重要的概念，分别为静压、动压和全压。所谓静压指的是由于空气分子在发生热运动时对器壁造成的冲击产生的压力，而动压则是指空气在流动的过程中对器壁造成的压力，全压则是静压和动压的总和[7]。矿井负压大小是反映通风机系统运行性能的重要指标，本研究中选用GPD0.1F型负压传感器对矿井负压进行实时检测，安装在风巷上。该传感器检测得到的信号同样为4～20 mA的模拟量信号，需要利用A/D转换器转换后才能输入到PLC控制器中。

(4)瓦斯浓度传感器。通风机系统最重要的作用是向井内排入新鲜空气，将井内的瓦斯及时排出，控制矿井内部的瓦斯浓度。瓦斯浓度大小对矿井安全生产有非常重要的作用。系统中选用KGJ15型瓦斯浓度传感器，属于本质安全型设备，在复杂的矿井环境中可以确保使用过程的安全性。瓦斯浓度传感器输出的是4～20 mA的模拟量信号，需要经过处理转变成为数字量信号后输入的PLC控制器中。

(5)风速传感器。通风机系统运行时的功率越大，产生的风量和风速越大，但是过大的风量和风速会造成能源的浪费。系统实际运行时，应该可以结合矿井的实际需要对风速和风量进行调整，对矿井内部风速和风量进行实时检测是调整的重要依据。系统中使用GFW型风速传感器对风速进行检测。该传感器属于智能型设备，可以实时显示测量结果，也可以通过数据接口将结果传输至其他硬件设施进行分析。一般而言，风量和风速之间存在一定的关系，检测得到风速以后，可以根据理论公式计算得到风量大小。

3 软件程序设计

硬件部分是实现通风机监控系统功能的物质基础，而软件程序则是实现各硬件功能的灵魂，只有在软件程序的驱动作用下，各硬件设施才能够发挥应有的作用[8]。为了提升软件程序编写的便捷性和后续维护的方便性，监控系统软件部分基于模块思想进行设计。整个软件程序包含1个主程序和若干个子程序，主程序在运行过程中，根据需要随时调取其他的子程序实现局部功能。以下主要对主程序和基于PID控制的风量调节子程序进行详细介绍。

3.1 系统的主程序设计

煤矿通风机监控系统主程序工作流程如图5所示。由图5可知，监控系统开始运行后，对所有的硬件设施进行初始化处理，完成该工作后决定是否启动1号通风机或者2号通风机。风机启动后对风门进行控制，然后根据煤矿生产实际需要判断是通风机是采用单级运行模式还是双级运行模式。若采用单级模式，则启动1号变频器和1号电机，若采用双级运行模式，则需要同时启动2台变频器和2台电机。变频器根据系统设定的频率运行，对通风机的风量进行调节。整个运行过程中，各类传感器对设备的运行状态和通风参量进行检测，并反馈到PLC控制器中进行分析处理，实现通风设备的高效运行。通风机系统运行时如果主要通风机设备出现故障问题，监控系统会立即切换到备用通风机工作，实现通风机系统的连续、稳定、可靠工作，为煤矿生产安全奠定坚实的基础。

图5 监控系统主程序工作流程Fig.5 Work flow chart of main program of the monitoring system

3.2 风量调节子程序

研究中基于PID技术对通风机的风量进行调节控制，PID控制技术属于闭环控制，能显著提升风量调节控制过程的精度。使用的S7-200型PLC控制器内部已经集成了8路PID，在实际应用时可以结合实际情况最多编写8路PID控制程序，并且建立不同程序之间的联系[9]。其中一路程序属于主程序，其他程序属于子程序，运行时主程序可对其他的子程序进行调用。利用Step-7软件编写相关的程序，风量调节PID控制参数程序块如图6所示。图6中，Output属于输出端，作用是对外发出控制指令，主要是对各变频器进行控制，比如控制变频器的输出频率大小，进而对通风机电机的输出转速进行控制，最终改变通风机的通风量；PV_I为输入端，风量传感器采集得到的风量数据信息会通过该端口输入到PLC控制器中，并传输到风量调节的程序中；Setpoint～属于风量目标值设定断口，可以根据矿井的实际运行需要设定对应的目标风量大小。

图6 风量调节PID控制参数程序块Fig.6 Air volume adjustment PID controlparameter program block

4 监控系统的应用研究

4.1 监控系统整体运行情况

本文所述煤矿之前没有设计监控系统，对通风机的运行状态数据无法实时监控与掌握，在开展通风机系统设备维护保养工作时没有指导性数据，效果不佳。将设计的通风机监控系统部署到煤矿工程实践中后，发现系统可以实时对通风机的输出风量、风压、风速等数据信息进行检测，另外通风机设备运行时的振动状态、温度等数据也可实时采集。基于以上数据信息，工作人员可以实时掌握通风系统运行状态。根据这些状态数据，可定性分析判断设备的健康状态，及时发现系统运行时潜在的安全隐患。基于监测数据可以指导设备的维护保养工作，定期对设备开展预防性的检修，确保设备能长期以健康状态运行。

4.2 监控系统运行效果分析

(1)风量改善情况。矿井未部署通风机监控系统时，由于无法掌握通风机系统的运行状态。因此，通风量经常保持在相对较低的水平，总通风量约为5 400 m3/min。在成功部署监控系统后，监控系统配合使用变频器可以根据矿井的实际需要对通风量进行调节，矿井总通风量增加到了6 000 m3/min。通风量的改变使得矿井各区域的风速有了一定程度的提高。风速提高后矿井环境温度得到了改善，粉尘浓度也出现了明显降低，有效改善了矿井的工作环境。部署监控系统前后矿井内部风速和温度的变化情况如图7所示。由图7可知，矿井中不同区域的风速有了很大程度提高，对应的温度从26 ℃左右降低到了23 ℃左右，使煤矿开采环境更加舒适。

图7 通风机部署监控系统前后的风速与温度对比Fig.7 Comparison of air speed and temperature before and after deployment of monitoring system of ventilator

(2)瓦斯控制情况。瓦斯浓度是保障煤矿生产安全的重要指标，根据《煤矿安全规程》中的相关规定，矿井中的瓦斯浓度通常不超过1%[10-14]。在未部署通风机监控系统前，矿井各区域的瓦斯浓度长期处在一个相对较高的水平，非常接近安全标准中的临界值。如，掘进工作面的瓦斯浓度一直都保持在0.6%～1.0%内，回风巷口和上隅角的瓦斯浓度长时间保持在0.8%～1.2%，开拓工作面的瓦斯浓度长时间保持在0.2%～0.5%。使用监控系统后，由于通风量出现了一定程度的增加，矿井各区域的瓦斯浓度得到了很好的改善[15-18]。采煤工作面、掘进工作面、开拓工作面的瓦斯浓度分别降低到0.3%～0.7%、0.2%～0.6%、0.1%～0.3%。通风机部署监控系统前后的不同区域瓦斯浓度对比情况如图8所示。由图8可以看出，使用了监控系统后，矿井各区域的瓦斯浓度均显著降低，远远低于安全规范标准中1%的临界值，为煤矿生产安全创造了良好的环境条件。

(3)经济效益分析。本文所述煤矿矿井没有使用监控系统前，由于通风量相对较小，环境温度较高，部分区域的瓦斯浓度居高不下，导致工作面经常需要停止作业，撤出工作人员，严重制约采煤效率的提升，使得矿井的生产效率远远达不到设计标准。根据矿井以往的统计数据表明，每年有超过200h的停机时间是由于通风机系统通风量达不到要求造成的。使用了监控系统以后，由于通过量的提升使得每月因瓦斯浓度超标而停止运行的时间不超过5 h，与前期相比生产效率有了明显的提升，目前煤矿每月超额完成5%～8%的工作量。另一方面，监控数据可以很好地指导设备的维护保养工作，提升了维护保养的工作质量和效率，为煤矿企业节省了一定的维护保养成本。总之，通过使用监控系统可以为煤矿企业创造非常好的经济效益和安全效益。

图8 通风机部署监控系统前后的瓦斯浓度对比Fig.8 Comparison of gas concentration before and after deployment of monitoringsystem for ventilator

5 结论

本文主要以煤矿中使用的通风机为研究对象，对其监控系统进行了详细的设计与研究，所得结论主要如下。

(1)设计的煤矿通风机监控系统共分为3大部分：现场测量、基础控制和监控管理。不同部分各自发挥作用，共同完成监控系统数据检测、控制分析与管理等各项功能。

(2)PLC控制器作为监控系统的核心，使用S7-200型PLC。电参量采集模块、振动传感器、负压传感器、瓦斯浓度传感器、风速传感器的型号分别为SMT18N2、XZD-YB、GPD0.1F、KGJ15、GFW，均为本质安全型设备且具有良好的性能。

(3)监控系统软件程序采用模块化设计，由一个主程序和多个子程序构成，主程序运行时可调用不同子程序实现不同的功能，完成对应的任务。

(4)将设计的通风机监控系统部署到煤矿通风机工程实践中，对各项性能进行测试发现良好。与未使用监控系统之前相比较，矿井的瓦斯浓度、粉尘浓度、温度、风速等都有了明显的改善，安全效益和经济效益显著。