矿井通风机监控系统的设计与实现

矿井通风机监控系统的设计与实现

吴慧斌

中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400039

摘要：井下作业时巷道瓦斯气体堆积，威胁井下人员生命安全，此时，一旦操作不当就会造成难以估量的损失，对巷道源源不断输送新鲜空气是保障巷道通风的关键。在我国高瓦斯及瓦斯突出矿井约占47%，每年因为通风造成的事故时有发生，所以设置一个安全可靠的通风系统来保障作业人及设备安全是十分有必要的。据统计，通风机在矿井总用电量中占比约为十分之一，是矿井主要耗能的设备，同时通风机的通风效率较低，也会造成极大的浪费。因此，在确保通风安全稳定的基础下，设计一款通风机智能控制系统，降低能源浪费，达到节能目的，为矿井降本增效做出一定贡献。基于此，本篇文章对矿井通风机监控系统的设计与实现进行研究，以供参考。

关键词：矿井；通风机监控系统；设计与实现

引言

煤炭产业作为高危行业，发生事故的可能性大。在目前国际发展的大格局下，煤炭企业逐步将安全、健康放在了发展和生产的首位。因此，确保煤矿安全生产对煤矿长久发展具有深刻意义。井下作业时巷道瓦斯气体堆积，威胁井下人员生命安全，此时一旦操作不当，就会造成难以估量的损失。对巷道源源不断地输送新鲜空气是保障巷道通风的关键。在我国高瓦斯及瓦斯突出矿井约占47%，每年因为通风造成的事故时有发生。所以设置一个安全可靠的通风系统来保障作业人员及设备安全是十分必要的。据统计，通风机在矿井总用电量中占比约为1/10，是矿井主要耗能的设备。同时通风机的通风效率较低，也会造成极大的浪费。因此，本文基于前人研究在确保通风安全稳定的基础上，设计一款通风机智能控制系统，降低能源浪费，达到节能目的，为矿井降本增效做出一定贡献。

1矿井通风机监控系统

煤矿井下的通风机是以电力作为原动力的装置，通过将电能转换成为机械能带动通风机的扇叶转动，从而实现巷道内气体的流动，实现将巷道内的气体压入或抽出，达到井下气体通风的作用。一般情况下，通风机的工作状态特性是通过流量、风压、通风机功率、转速等参数进行表示的，通过不同的参数表示通风机不同的工况。在不同的工况下，通风机的工作状态也不相同。煤矿井下目前使用比较多的通风机类型主要是离心式通风机和轴流式通风机，这两种通风机虽然结构不同，但是其工作原理都是借助叶轮叶片，将机械能传递到流体，实现流体能量的变化。煤矿井下通风机监控系统是通过对通风机的相关参数进行监控来实现对通风机的运行状态进行分析的。其主要参数有电机轴承温度，通风机风量、压力，电动机输入电压、电流以及电参量以及振动参量。电机的轴承温度是保证通风机能够正常稳定运行的基础，其润滑和散热对运行有着极大的影响，长期处于高温、振动状态下会导致轴承损坏，直接使通风机停机。通风机的风量、风压是衡量通风机运行效果的主要参数，风量、风压必须要达到相应的标准才能够满足煤矿井下的通风需求。电动机的电流、电压通过电流与电压互感器测定来判断电动机的状态。通风机的振动参量是防止通风机内部扇叶在转动的过程中出现负载不均匀或旋转不平衡时对通风机的运行安全产生影响。

2矿井通风机常见故障分析

建立矿井通风机运行状态监测体系的前提是确定合适的监测参数，而监测参数的确定则来源于对风机运行故障数据的统计。通过对近4000起风机运行故障原因分析，发现通风机常见的故障类型主要包括电气故障和机械故障，随着电气元器件可靠性的逐步提升，目前电气故障所占的比例逐年下降，而风机机械故障的比例则逐年上升，占到了故障总数的80%以上，风机常见的机械故障主要包括以下几个部分：1）风机转子不平衡。转子不平衡主要是指风机轴承在加工或者运行过程中转子的运转出现偏移，导致轴承加速磨损，引起风机运行振动和噪声，严重的会导致风机主轴折断，当出现转子不平衡时，风机运行的机械振动幅值会产生显著的变化。2）转子不对中。转子不对中主要是指风机两个相邻转子的中轴线和轴承中心不重合，当发生不对中障时，会导致风机运行出现显著的震颤，风机的机械振动情况会加剧。3）轴承故障。轴承故障是指风机轴承在长时间运行后出现的磨损、点蚀等故障，一旦出现异常后将导致风机运行时的振动、噪声加剧、风量变化，影响通风安全性。通过对风机常见运行故障的分析，电气故障的主要异常是电气控制信号的紊乱，而机械故障的主要异常则是风机运行时的振动加剧、风量变化，因此通对风机运行时的风量、振动及电气控制信号的监测可以有效判断出风机的实际运行状态。

3矿井通风机监控系统的设计与实现分析

3.1监控系统软件设计

（1）选择博途v16版本进行PLC程序设计。主程序设计是PLC编程设计的核心。系统供电后，OB100初始化，对输入信号进行处理，对控制方式进行选择，对控制策略进行选择，此时风门、电机启动。当系统出现故障时，回到主程序，进行定时中断和时钟中断。（2）风量调节软件设计。系统启动后首先进行实时风量的检测，并将检测风量输入软件进行计算，给出风量偏差e及偏差率ec。将检测数据传输至PLC中，对风量偏差e及偏差率ec进行模糊化处理，再利用MATLAB计算，得到模糊查询表风量对应的PID修正的模糊输出值；然后计算得出PID控制参数KP、Ki、Kd，再将控制参数输入PLC中进行风量调节，完成整个风量调节过程。设计完成后通过登录界面进入系统监控界面，登录界面需要核对用户身份，根据不同身份进入不同界面。根据系统的应用，矿井供风效果得到了较大改善，同时矿井电能得到了有效的节约。据统计，2020年较2019年比，通风机电能消耗约降低18%，较好地实现了降本增效的目的。

3.2监控系统硬件设计

对监控系统的硬件进行选型，首先对PLC控制器进行选型，PLC控制器需要考虑如下特点：（1）合理的结构形式；（2）合理的安装方式；（3）可靠的功能和响应速度；（4）具有很高的可靠性。综合考虑后选择型号S7-1200PLC控制器，其能够对参数进行采集，同时通过工业以太网实现上位机通信、指令下达、故障声光报警。对PLC各模块进行选型，CPU模块选用CPU1214C，数量输入信号模块选用SM1221，数字量输出信号模块选用SM1222，模拟量输入信号模块选用SM1231，电源模块选用PM1207，通信模块选用CM1243-5配合CM1241。

结束语

总而言之，1）通风机常见的故障类型主要包括电气故障和机械故障，机械故障主要包括风机转子不平衡、转子不对中和轴承故障，其共有的异常现象是导致风机运行时的振动发生显著变化；2）对风机运行风量、风机运行电气控制信号、风机运行振动信号进行监测，能够实现对风机运行状态的精确判断；3）矿井通风系统主要包括远程控制层、集中控制层和现场设备层三个部分，能够实现对风机运行状态自动监测、故障自动诊断；4）新的通风监测系统能够将风机故障率降低88.4%，将风机检修周期降低78.2%，对于提升矿井通风系统的运行稳定性和可靠性具有十分重要的意义。

参考文献

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[2]吴奇,叶俊锋.基于PLC的矿井通风机远程监控系统[J].煤矿机械,2018,36(01):259-261.

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[4]杨海峰.矿井通风机监控系统软件的设计与实现[D].电子科技大学,2018.

[5]郭聪敏.矿井通风机自动监控系统的开发[D].西安科技大学,2018.

吴慧斌（1983-），男，工程师，现就职于中煤科工集团重庆研究院有限公司，主要研究方向为煤矿机电智能控制、矿山应急救援技术。