主通风机工况监测与报警系统研究

马芳芳

（西山煤电西曲矿机电科外维队，山西 古交 030200）

为了掌握矿井主通风机的工作状态，实现远程控制，国内许多科研院所和大学研究和生产了相应的监测装置和配套软件，提高了矿井主通风机的安全性和可靠性，取得了很大技术进步[1-2]。目前矿井主通风机工况监测和报警系统存在监测方法单一、管理不够规范等问题[3-5]。基于上述问题，本文研究了基于ARM 控制器的主通风机工况监测与报警系统，能解决上述问题。

1 监测系统

1.1 系统结构

矿井主通风机监测系统结构如图1 所示，由监控对象、信号采集、信号转换和人机界面等部分组成。监测对象包括主通风机、开关柜、风门和变频器。信号采集部分主要包括各类传感器、测量回路和控制回路等，根据系统要求，将各个监控对象的工作状态和工作参数转换为电信号，通过信号转换电路或ARM 控制器发送给人机界面部分。

图1 监控系统的组成结构

1.2 系统原理

（1）通风机的监控参数。包括电机绕组温度、风压、电机轴承振动，温度传感器输出的电信号通过温度测量模块直接发送至人机界面，不经过ARM 控制器处理。压力传感器、振动变送器和变频器的频率信号都是模拟信号，通过模拟量输入模块输入给ARM 控制器。

（2）开关柜的测量回路。包括开关的电流和电压信号，通过电量测量模块发送给人机界面。开关柜的开关量信号、风门的限位开关和变频器的开关量信号通过开关量输入模块输入给ARM 控制器。ARM 控制器的开关量输出模块输出对开关柜、风门和变频器的控制信号，这些控制信号通过中间继电器进行功率放大，从而驱动控制回路或者电机进行动作，使被控对象发生相应的状态变化。变频器通过ARM 控制器的模拟量输出模块输出的频率指令改变其输出频率。

（3）人机界面。主要包括上位机、调度中心客户端和打印机等。上位机通过232/485 接口和以太网接口与测量模块和ARM 控制器通信，接受各类信号和数据，并应用工业组态技术，将上述所有信号和数据进行可视化展示，工作人员可通过直观的界面掌握现场设备的实时状态，做出相应的控制。

2 监测电路设计

2.1 风压风量监测电路

在主通风机的控制中，风量和风压与风机的调节直接相关，因此这两个参数的采集十分重要。矿井的环境具有湿度大、灰尘多的特点，对风量和风压的测量带来了较大难度。风量和风压测量的原理如图2 所示，由于集流器的存在，1-1 截面和2-2 截面的气压不同，通过在风道的两个截面安装安全阀取得这两个截面的气流压力，应用压差变送器采集静压和全压，然后通过机械流体力学原理计算出风量，计算所得的风量信号转化为电信号后，经过A/D 转换，输送给ARM 控制器的数字量输入模块。

图2 风量和风压测量原理

2.2 振动信号监测电路

通过设计振动信号监测电路，将电机轴承的振动信号采集下来，并且经过控制器的计算，在时域和频域等方面进行分析，如果出现故障异常信号，则对主通风机电机发出停机指令，避免电机烧毁。SLM 四通道振动变送器在故障监测领域应用广泛，这款传感器将电机轴承的位移、速度和加速度等物理量采集下来，在内部转换为4～20 mA 的标准电信号，然后经过电流电压变换电路处理，作为ARM 控制器的模拟量输入信号。ARM 控制器内部可以对振动信号进行数字滤波，以期获得更加真实的振动规律，控制器内的程序设定了时域和频域相关关键参数的报警值，如果电机振动信号有参数超过报警值，则发出电机振动异常信号。

2.3 瓦斯浓度监测电路

瓦斯浓度监测电路主要采用红外气体传感器MH-440V/D，这款传感器采用非色散红外原理对周围瓦斯进行探测，不依赖氧气环境，具有较高的选择性，可应用于可燃性和爆炸性气体的场合。这款传感器工作电压为5 V，输出信号范围为0.4～2 V，工作模式可以选择数字式或者模拟式，采用数字方式时VCC 端接5 V 工作电源，GND 接电源地，RXD 接控制器的TXD，TXD 接控制器的RXD，控制器可以通过RART 接口直接读出瓦斯浓度值，无需计算。采用模拟方式时VCC 端接5 V 工作电源，GND 接电源地，Vout 端接控制器的输入端，传感器经过自检和预热后从Vout 端输出表征瓦斯浓度的电压值，0.4 V 电压表示瓦斯浓度为0，2.0 V 表示瓦斯浓度满量程。

表1 主通风机工况监测与报警系统应用前后对比

3 系统应用和效果

3.1 对传感器信号滤波

被监测设备大部分时间都处在正常运行的状态，主通风机工况监测和报警装置能正确反映被监测设备的信号和数据。在被监测设备出现故障时，系统可能发出报警信号和停机指令，直接影响矿井的安全生产。因此，对于故障判别和停机指令的控制回路准确度要求很高。主通风机在正常运行时，各类传感器都处在振动、噪音和气流的恶劣环境中，传感器的输出回路中会产生干扰电流，因此在信号传送给控制器之前要进行充分的滤波，提高数据分析的准确性。

3.2 采用故障预判逻辑

在控制器程序内部，对收集到的主通风机状态和数据进行故障判别时，为了提高故障判断的准确性，将故障判断模块分为两部分。第一部分是状态和数据符合预设故障类型的情况。在这种情况下控制器收集到的数据符合预设故障类型，直接做出相应故障的判定，可以直接发出信号和停机指令，这种情况的可靠性较高。第二部分是状态和数据不符合预设故障类型的情况。这种情况进入故障预判断模式，可以应用与预设故障类型相似的逻辑进行预判，并结合程序设计的专家系统进行故障判断。这种情况的可靠性较低，因此可以设定发出报警信号而不停机，等待工作人员确认后处理，可以提高系统的可靠性，避免因误判断而导致的频繁故障停机。

3.3 应用效果分析

西曲矿在本系统应用之前，主通风机、开关柜、风门和变频器之间相互独立，只有各自的保护装置。主通风机装有电机保护控制器，开关柜装有保护测控一体的装置，风门无保护装置，变频器装有独立的保护装置。上述系统平均每月故障发生5 次，且整个系统在故障发生后才能进行检修，影响生产效率。西曲矿应用矿井主通风机工况监测与报警系统后，所有设备的状态集中显示与控制，降低了故障发生频率，平均3 个月才发生一次停机故障，且可以准确识别各类故障，准确率达到95%以上。

4 结语

通过分析矿井主通风机工况监测与报警系统的结构，并给出了风量、风压、振动和瓦斯等参数的监测电路设计思路，对系统在应用中的问题和应用效果进行了总结。矿井主通风机工况监测与报警系统提高了主通风机的可靠性和检修效率。