动叶可调轴流式通风机不停风倒机的监控系统设计及实现.pdf

4 煤矿机 电 2 0 1 7年第5 期 郭瑞． 动叶可调轴 流式通 风机不停 风倒 机 的监控 系统设 计及 实现 [ J ] ． 煤矿机 电， 2 0 1 7 5 4 7 ． d o i 1 0 1 6 5 4 5 ／ j ． c n k i ． c ru e t ． 2 0 1 7 ． 0 5 ． 0 0 2 动叶可调轴流式通风机不停风倒机 的 监控 系统设 计及实现 郭瑞 中煤陕西榆林能源化工有 限公 司 大海 则煤 矿 ， 陕西 榆林 7 1 9 0 0 0 摘要 煤矿轴流 式通风机在传统倒机方式下先停风再倒机 ， 容 易引起 瞬时瓦斯超 限， 针对这 一 问题 ， 结合动叶可调轴流式通风机 ， 设计 了一种不停风倒机 监控 系统。该 系统 以 7 - 3 0 0系列 P L C 为控制核心， 通过引入卧式百叶窗式旋叶风门实现不停风倒机 ， 组态王软件开发的上位机 系统实现 通风机 的“ 一键倒机” 和通风机系统的工况监测。该监控系统在平煤某矿实际应用 中取得 了良好 的效果。 关键词 动叶可调 ；轴流式通风机 ；不停风倒机；可编程控制器 P L C ；组态王 ；监控系统 中图分类号 T D 4 4 1 ． 2 ； T P 2 7 7 ． 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 0 8 7 4 2 0 1 7 0 5一 O O O 4 0 4 De s i g n an d I mp l e men t a t i on o f Mo n i t or i n g Sy s t e m f or Ax i a l Fl o w F an wi t h A d j u s t a b l e R o t o r B la d e a n d Co n s t a n t Ai r B l o w e r G1 1 ,0 u i D a h a i z e C o a l M i n e ， C h i n a C o a l S h a a n x i Y u l i n E n e r g y C h e m i c a l C o ． ， L t d ． ， Y u l i n 7 1 9 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t A c c o r d i n g t o t h e t r a d i t i o n a l mi n e a x i a l f a n s t o p t h e wi n d t h e n b l o w ma c h i n e ，wh i c h c a n e a s i l y c a u s e t h e i n s t a n t a n e o u s g a s o v e r r u n p r o b l e m，c o m b i n e d w i t h t h e a d j u s t a b l e a x i a l fan b l a d e ，d e s i g n e d a ma c h i n e mo n i t o r i n g s y s t e m wi t h c o n s t a n t a i r b l o we r ． Th e s y s t e m u s e d PLC s 7 3 0 0 s e r i e s a s c o n t r o l c o r e． t h r o u g h t h e i n t r o d u c t i o n o f h o r i z o n t a l l o u v e r v a n e da mp e r wi t h o u t b l o wi n g o u t ma c h i ne，Ki n g v i e w s o f t wa r e d e v e l o p me n t o f h o s t c o mp u t e r s y s t e m “ o n e k e y b l o w ma c h i n e ”f a n a n d c o n d i t i o n mo n i t o r i n g s y s t e m．T h e mo n i t o r i n g s y s t e m h a s b e e n a p p l i e d i n Pi n g Co a l Mi n e a nd a c hi e v e d g o o d r e s u l t s ． K e y wo r d s a d j u s t a b l e r o t o r b l a d e ；a x i a l fl o w f a n ；c o n s t a n t a i r b l o w e r ； p r o g r a m ma b l e l o g i c c o n t r o l l e r P L C ； Ki n g v i e w；mo n i t o r i n g s y s t e m 0 引言 在煤矿 的生产 过程 中， 随着矿井开采深度的加 大和工作面的延伸， 瓦斯积 聚和瓦斯超限的压力逐 渐增大。动叶可调轴 流式通风机 以其高效 率、 高适 应性被广泛应用于通风系统⋯ ， 承担着井下作业点 瓦斯 、 矿尘和污浊气体 排放的重任。根据 国家 煤 矿安全规程 第一百五 十八条 规定 ， 矿井必 须采用 机械通风 。必须安装两套同等能力的主要通风机装 置， 其中一套作备用， 备用通风机必须能在 1 0 m in 内开动 J 。传统 的倒机方式存在着短暂停 风， 容易 引起瓦斯 突出 ， 给煤矿 安全生产埋下重 大隐患 。 为此 ， 从倒机过程 中通风系统失稳的问题人手 ， 设计 了一种不停风机倒机监控 系统 ， 只要在调度室实现 “ 一 键倒机” 和对通 风机 系统的运行工况进行 实时 监控 ， 便能保障通风系统的安全平稳运行 。 1 通风机系统的结构 通风机系统设置在风井处 ， 为 了实现不停风倒 机功能 ， 系统改用立式百叶窗式旋叶风门， 增加了卧 2 0 1 7年第5 期 煤矿机 电 5 式百叶窗式旋叶风 门， 如图 1所示 。 1 2 3 4 5 6 1一防爆 盖 ； 2～风 井； 3一检修风 f ] ； 4一旋叶主风f ’ ] ； 5一旋 叶副风 门 ； 6一叶轮 ； 7一电动机 图 1 通风机示意图 通风机系统主要由以下设备组成 通风机 、 高压 1 0 k V异步 电动机 、 低压柜 、 风门以及液压润滑油站 通风机的温度接线盒内安装有预埋的两路 推力轴 、 两路支撑轴 、 电动机 的三相定子和前后轴温度传感 器接头。高／ 低压柜采用双进线母联的方式 ， 两条进 线互为备用。液压润滑油站提供通风机主轴承必须 的油量和压力 ， 油站带有风冷和加热器 ， 可对油体进 行冷却和加热。通风机叶片安装角度通过液压装置 和传动机构改变 ， 从而改变通风机的特性 曲线 。 2不停风倒机监控系统的硬件设计 不停风倒机监控系统 以 P L C为核心 ， 主要 由取 压装置 、 传感 变送 器 、 信号测取装置 、 P L C和工控 机等组成 。取压装置用 于测取通风机 的风量和 风 压。传感 变送 器有压力变送器 和振动变送器 ， 压 力变送器采集取压装置测取 的风量 和风压 ， 振动变 送器采集 电动机轴承的水平和垂直振动。信号测取 装置有温度巡检仪 和电参数模块 ， 分别用于采集通 风机和电动机的温度信号和电动机的电力参数。工 控机上安装有 P L C编程软件和上位机软件 ， 上位机 采取双机冗余的方式 ， 提高监控系统的可靠性。 不停风倒机监测系统 的结构 如图 2所示 。P L C 选用西 门子 的 S 7 - 3 0 0系列 ， 组态有 电源模块 、 C P U 模块 C P U 3 1 5 2 P N ／ D P 、 D I 模 块 、 D O模 块 、 A I 模 块 、 A O模块 和通信模块 C P 3 4 0 。D I 模块 主要采 集通风机系统设备的状态信号， 如电动机合闸、 风门 全开等。D O模 块对通风机系统设 备实施控制 ， 如 电动机合闸、 风 门开启等 。A I 模块负责采集风 门开 度 、 风量 、 风压 、 振动 以及扇 叶角度 等模 拟量信号。 A O模块负责扇叶角度给定。通信模块 负责采集和 转换温度信号和电力参数 ， 通过 A S C I I 驱动协议驱 动轮询每台通风机的 9路温度信号和电压 、 电流 、 功 率和功率因数。 I图} l K in gview II 匣 l 1 ▲ P L c 元l C P 3 4 0 1C P 3 4 0 I ▲ ▲ ▲ t l l l输入／ 输出继电器 『 1 _ 主 - 一 主 _ _ 主 _ 百 油 高 主 叶 站 压 通 窗 柜 风 风 机 门 ___一 图 2 系统硬件结构示意 图 3不停风倒机监控系统的软件设计 3 ． 1 传统倒机方式弊端 传统倒机流程为 先停转运行通风机电动机， 然 后关 闭风门， 接着打开备用风机风门 ， 最后再启动备 用通 风机 电动机 。 在传统倒机过程中， 通风系统几乎是停风的， 对 于高瓦斯矿井和深部开采的矿井有可能带来瓦斯超 限的危险。此外 ， 由于通风机系统带负荷启动 、 设备 容量大 、 转动惯性大， 有可能出现备用通风机无法启 动的情况。因此 ， 这种通风机冷备用 的倒机方式在 倒机过程 中具有相 当大的不确定性 ， 对于通风 系统 来说是不够安全的 。 针对传统倒机方式存在 的弊端 ， 本文提出了一 种不停风倒机的方案， 该方案采取热备用的模式 ， 即 先启动备用通风机 ， 待备用通风机运行正常后再停 转原运行通风机 ， 进行风路切换。这种方案能够避 免备用通风机不能正常启动所带来的风险， 而且将 传统倒机过程 中的停风改善为风路切换时短暂的风 量波动 ， 极大地提高了通风系统 的可靠性。 3 ． 2 不停风倒机系统的程序设计 对于动叶可调轴流通风机 ， 在倒机之前必须首 先开启备用通风机的油站 ， 保证在备用通风机油压 正常的情况下启动备用通风机的电动机， 倒机完成 1 0 rai n后将原运行通风机油站关停。具体倒机流程 如图 3所示 。 系统通过对空旁路副风门开启备用通风机来实 现热备启机 的功能 ， 不停风倒机 的整个流程仅需 1 mi n左右 ， 在程序设计 中风 门的开闭和电动机的启 停 都设 定 了5 0 S 的报警 定 时 。 为 了稳定 倒机过程 6 煤矿机电 2 0 1 7 年第5期 图 3 不停风倒机 程序 设计 流程图 中的风量波动 ， 在程序中设置几处定时 1 备用通风机开启 ， 延时 1 0 S后给定扇 叶角 度 ， 并停转原运行 通风机 、 归零原运行通 风机扇 叶 角度。 2 三个风门联动 ， 延时 △t 后关闭备用通风机 水平风门。 该 系统不停风倒 机的设计 ， 不仅缩短 了倒机时 间 ， 而且克服了传统倒机方式下井下无风的技术难 题 ， 可靠地保障了通风机系统的正常运行 。 图 4是倒机时不同延 时情况下 的风量波动图 ， 其中延时时间 △t 分别为 5 S 、 1 0 S 和 1 5 S 。经过试 验发现 ， 三风门后 的延时 △t 在 0 S 附近可能会造成 通风机喘振 ， 通过分析 图4所示的仿真图可发现 ， 延 时 △t 越长， 原通风机从井下抽出的风量降低越快 ， 而备用通风机风量则没有得 到很快地升高 ， 大部分 风量从水平风门泄漏 ， 导致通风机从井下抽 出的风 量变少 ， 从而容易出现瓦斯 、 矿尘等杂质的积聚和超 限。风门配合过程中的延时 △t 需要根据具体情况 确定 ， 通常选取 5～1 0 S l 5 l 。 f n E 咖{ 匿 图 4不 同延 时情 况 下 的风 量 波 动 图 3 ． 3 上位机软件设计 操作员和不停风倒机监控系统的交互界面采用 组态王 6 ． 5 5开发。为了使矿方 能够方便快捷地了 解通风机系统的运行状况 ， 将冗余 的上位机开发成 WE B服务器进行 WE B发布 。人机界面分为两个 部分 一是用于倒机时的倒机流程画面 ； 二是用于查 看系统工况 的查询界 面。倒机 时， 只要用 鼠标点击 监控主画面上的“ 1 2 ” 或“ 2 1 ” 按钮便可以实现 自动 倒机 ， 系统 WE B发布的监控主画面如图 5所示。 系统除“ 一键倒机” 外还有 以下功能 1 用户管理。在“ 用户选项 ” 菜单设置 了用户 登录、 用户退出和系统退 出子菜单 ， 方便用户进行操 作和管理 。 2 报警查询。当系统出现故障时， 监控主画面 上的报警标志会 出现 闪烁 ， 通过点击监控 主画面上 的报警查询来查看报警信息 。 3 故障倒 机。当通风机 出现 “ 掉 电” 故障时 ， 人机界面会出现“ 掉 电倒机 ” 界面， 通过重启原通风 机或倒机备用 的风机来恢复通风系统 的运转。 4 报表查询。设计 了 2 4 h日报表 ， 系统 每隔 1 h 会记录通风机系统运行的工况参数 ， 包括工作风 机号 、 风量 、 风压 、 温度 、 振动和扇叶角度 。 此外 ， 上位机 系统还分别设计 了油站界面和扇 叶界面 ， 用于油站和扇叶的状态参数显示与控制。 4 结 论 动叶可调轴流式通风机不停风倒机监控系统已 在平煤某矿得到成功应用 ， 运行情况 良好。该 系统 不仅能实现轴流风机的不停风倒机 ， 减少倒机时间 ， 确保通风系统的正常运行 ， 还能对煤矿主通风机 系 统进行全面监控 ， 实时了解通风机系统 的运行工况 ， 分析判断设备故障产生的部位及原因。该系统的设 2 0 1 7年第5 期 煤 矿 机 电 7 I t 袭彀毒鼙豢 P ‘ 薹 禧 一 撼鬟 P 城≈ 箍鬻蕊 橐j 豢蕺蹬 辩蟪 囊舞 鼍髓 l 季藏舞 _誊 靖 I藏鞴撼 鞲 图 5监控主 画面 WE B发布界面 力 I l 强 J 煤矿 f I 动 化 箭的 个 个 f 理 ， 提 舟 J 煤 矿 4 ， J t ‘ 1 ， 譬 糕 热备 t 州 迎 【 欠 综 合r i 动化系统的水平 ， 煤矿发 牛产奠 定 J 更 键{ ￡ 术 f l_j 1 矧 ‘ ‘ 巾闻仪器仪丧 删0 控技术大 仑史 加 r 9 g t i i t m 川 。 参考 文献 ， ⋯I1 矿、 _ I， 人 、 ． 2 0 l 】 l 叶 、 【 一 李俊 ，I 忪岭 f , ,f i J,t tf l} i i 缸J ℃ 通 机叶片安装f n 6． 简 i ， 跹俊f Ij ． 朱涛． 于 ＼ V I 72 B的提 升机 监控 系统 研究 晰 ⋯ 助 l_⋯ I I IA O L ] 2 1 9 ．I ． ． ⋯ ． 3 1 4 ． 1 4 川5． 2 J 家发令 产 惜僻 总 煤矿 奠个规 『 M 北京 煤炭 作者简介 郭瑞 l ’ 霹， 王程 o 0 年 学业于内 古譬技 I 、 ， ⋯版} 1 ． 2 】 l 6 大。 村 L 诫 殳 故 I -、 现 从事煤 机电管珲工 乍 3 黄 采玲堆 J 帧 制 I 制n J l i iD ． J x L Y L 4 4 ／, ； J 倒1l』 l l l 动 { 稿 期 2 0 1 7- 0 3 0 6； 菠f 编车 f } 姚 妃 J 系统 没汁 lJ i I I I -T J 化 ． 2 0 I 5 ， 4 I 9 3 9 43 ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ -。 ’ 0 ’ 。 ’01 ’ 一 ’0， ’ ’ ； 。 ； ’ ； ‘ 。 ’ ’． ’ ， ’ 。 ’ ． ’ ’ ’ ’ ； i ， I一 ’ ； ‘ ’ ； ’ ；| 1 L 接第 3贝 I 矧7给f 『 I r电动机轴f l 1 1 端振 动信号的频谱 ， i 5 8 1 6 2 ． 验 诃 rD J I I d J J L 7 1 - 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I I l1 I Y L I ， 、 { I ， 2 0 0 5 ． 2 5 2 2 ． 【 收 I I 期 2 0 1 70 2 1 6； 黄f 编辑 姚范 溅 0 了 ．． 0 鲢 一