井下通风机的监控系统研究与设计.pdf

山西冶金 SHANXI METALLURGY Total 183 No.1， 2020 DOI10.16525/14-1167/tf.2020.01.20 试 （实） 验研究 总第 183 期 2020 年第1 期 井下通风机的监控系统研究与设计 秦锦东 （大同煤矿集团有限责任公司晋华宫矿安监站， 山西大同037000） 摘要 对风机的工作方式与流程进行了探讨， 设计了监控系统的整体方案， 分析研究了系统的控制结构与控 制原理。对系统控制柜的硬件设备进行选型， 设计分析了系统的主电路与风机信号监测的原理等。设计了系统 软件主程序的工作流程图。监控系统具有较强的抗干扰性， 对风机运行的关键信号进行了监测， 为井下持续的 通风提供了保障。 关键词 通风机监控系统PLC变频器 中图分类号 TD635文献标识码 A文章编号 1672-1152 （2020） 01-0054-02 收稿日期 2019-11-17 作者简介 秦锦东 （1987） ， 女， 2016 年毕业于河南理工大 学安全工程专业， 本科， 助理工程师， 现从事煤矿安全管理 工作。 煤炭是我国国民生产中消耗占比最多的资源， 是改革开放以来经济迅速稳步增长的关键保障[1]。 由于开采环境的特点，煤岩中储存有大量的瓦斯等 有毒有害气体， 在煤炭的生产过程中， 如果瓦斯等有 害气体排放不及时， 极有可能导致工作人员的缺氧， 甚至瓦斯爆炸等事故[2-3]。矿井通风机也被称为 “矿 井肺腑” ， 是煤矿的四个主要设备之一， 负责向井下 输送新鲜空气， 排放有害气体与抑制粉尘等作用[4]。 矿井通风机一旦发生故障或者停运，将会导致井下 瓦斯积聚， 对整个井下工作面的安全造成威胁， 生产 过程将不得不停滞，严重制约煤矿的生产效率[5-6]。 目前国内矿井通风机的监控系统存在过于简单， 节 能效果差， 数据监测不到位等缺点， 所以建立一种功 能完善， 可靠性高的井下通风机监控系统十分重要。 1监控系统的组成及原理 矿井通风系统由两部分组成通风机与通风网 络。通风机按照结构特征可以分为离心式通风机与 轴流式通风机两种。离心式通风机由动轮、 电机、 主 轴、 锥形扩散器与壳体组成， 工作时， 依靠动轮转动 的离心作用产生吸力， 将空气吸入进气口， 经由叶轮 折转 90毅后流入机壳， 最终由扩散器排出， 其中， 前导 器可用来调节风流进入叶轮前的流向，进而改变风 机输出的风量与风压。轴流式通风机由动轮、集风 器、 整流器与环形扩散器等组成， 工作时动轮的叶片 快速转动， 凹面产生冲击作用， 产生正压， 将空气排 出， 凸面产生负压， 将空气引入机体， 从而形成空气 的稳定流动。 矿井的通风网络一般为风流分流、 回合 的巷道结构， 通过改变巷道的布置， 通风网络的连接 方式也会发生相应的变化[7-8]。 本系统的总体结构如图 1 所示，采用了双通风 机冗余系统的设计思想，在工作风机发生故障的情 况下， 主站通过切换风机的方式， 利用另一台正常的 风机为井下持续通风。远程监控机与现场主站通过 工业以太网连接， 1 号风机及控制柜与二号风机及 控制柜通过现场总线 RS485 的方式实现信息传输。 现场主站通过监视器对风机的运行状态进行检测， 并可通过调试程序切换风机的运行状态。 通风机的控制系统包括上位机、 PLC 控制器、 变 频器与电气控制等，系统的控制原理图如下页图 2 所示。 控制系统采用负反馈闭环控制结构， 硬件部分 包括 PLC 控制器、 变频器、 风机及各种信号传感器。 当通风系统正常工作时， PLC 控制器通过变频器驱 动通风机， 风流持续流入巷道， 系统通过传感器监测 风流的压力信号与速度信号等，经过系统计算处理 后， 上位机通过 PID 控制系统发出相应的电信号， 控 图 1监控系统总体结构 调度监控远程监控 TCP/IP 交换机 现场主站 RS485 1 号控制柜2 号控制柜 1 号风机2 号风机 风 量 检 测 风 压 检 测 温 度 检 测 瓦 斯 检 测 风 量 检 测 风 压 检 测 温 度 检 测 瓦 斯 检 测 2020 年第 1 期 （下转第 75 页） 制变频器的频率信号， 从而对风机的启动、 停止与转 速进行调节， 形成系统的闭环负反馈控制。 变频调速是目前公认的最适合于交流电机转速 调节的方式， 在应用于风机类的工程上时， 还具有非 常良好的节能性。风机等泵类通常采用改变出口处 开口量的方式进行调速。 这种方式的效率很低， 造成 了不必要的电能损耗， 尤其在煤矿工程中， 风机处于 24 h 作业， 低效的调速方式会带来巨大的电能损耗。 由流体力学的基本原理可知，交流异步电机的转速 与风机设备的轴功率、 流量与压力之间有如下关系 Q2 Q1 n2 n1 ； H2 H1 n2 n1 蓸蔀 2 ； P2 P1 n2 n1 蓸蔀 3 . 式中 Q 为风机流量； n 为风机转速； H 为风机的风 压； P为风机的轴功率。 风机流量与风机转速成正比，风机的风压与转 速的平方成正比，风机的轴功率与风机转速的立方 成正比。 由以上关系可知， 通风系统在满足井下通风 要求的前提下，降低风机的转速将大幅的降低风机 的负载， 较少风机的功率损耗。 所以系统在采用变频 调速的方式下， 可通过降低系统平均风速的方式， 减 少电能的消耗， 起到节能作用。 2控制柜的硬件选型设计 控制柜主电路中包括 PLC 控制器与变频器两 种主要设备， 在对 PLC 控制器选型时， 通过对系统 I/ O 接口、 计算功能与存储容量进行估算后， 决定选用 西门子的 S7-300。S7-300 主要有数据处理速度快， 人机界面友好， 自带保护功能和诊断功能等优点， 一 条指令的处理速度在 0.5 滋s 左右，满足中等系统的 性能要求， 采用梯形图进行编程， 简单直观， 具有智 能的信号处理模块， 抗干扰能力强。 根据系统的工作要求，选用西门子公司的 MM430 变频器。 MM430 变频器特别适用于工业泵或 者风机的控制系统， 具有以用户为导向的优点， 操作 面板与通讯面板更加人性化，相对于之前版本具有 更多的输入和输出接口，具有快速响应输入和更加 广泛的功能。 系统控制柜的主电路如图 3 所示，由两个变频 器分别对 1、 2 号风机进行控制， 图中 M1 与 M2 分别 对应两个风机， FA 为电路的熔断器， S2 与 S4 分别 控制两个电机变频运行， S3 与 S5 分别控制两风机 工频运行。 由于井下环境较差，在对风速测量时难以准确 定位， 测试精度差， 所以本系统采用皮托静压管横动 法对风机的风速信号进行监测，通过计算被测截面 的平均压差与静压， 计算得到通过截面的平均风速 v 2驻p 籽姨 .（1） 式中 籽 为所测截面的气体密度， 驻p为平均压差。 风道中的风压采用钻孔取压的方式，将所测得 的静压与动压等信号通过压力变送器转换为电信 号， 所测地点的风压即静压与动压的代数和， 本系统 选用的压力变送器为 JYB-DW-A 型微差压变送器。 风机在运行过程中可能会出现温度超限的情 况， 导致电机定子与转子烧坏， 破坏系统功能， 所以 对风机温度信号进行监测是十分必要的，本系统采 用 PT100 型温度信号传感器，利用铂热电阻的物理 性质， 随着温度的改变， 铂热电阻的阻值也将发生相 应的变化。 系统通过温度与阻值之间的换算关系， 可 得到电机温度值。 3系统软件主程序设计 系统的主程序流程图如图 4 所示，系统首先初 始化， 在第一个扫面周期结束后开始读写数据， 调用 1 号主风机与 2 号备用风机的控制程序，对系统风 机与风门进行控制，运行数据监测子程序对风机的 运行数据采集，当风机故障时，调用故障报警子程 序， 系统停机， 主程序结束见 75 页图 4。 4结语 本文设计了一种井下通风机监控系统，采用 PLC 控制、变频调速原理，系统具有一定的抗干扰 性， 提高了风机系统的可靠性， 并且在保障井下通风 图 2系统控制原理图 图 3控制柜主线路图 上位机控制PLC 控制变频器电气控制通风机 输出风流 传感器检测 N A B C S1 FA S2 24V0VS424V0V L1L2L3 5 67 变频器 MM430 U V W8 9 10 L1L2L3 5 67 变频器 MM430 U V W8 9 10 S3S5 M M 秦锦东 井下通风机的监控系统研究与设计55窑窑 2020 年第 1 期 要求的前提下降低了煤矿的电能损耗，带来了较好 的经济效益。 参考文献 [1]任子晖， 姚正华， 岳明道， 等.基于 PLC 和组态软件的矿井主扇 风机监控系统[J].自动化技术与应用， 2007， 26 （9） 77-78. [2]廖平， 谢乐添， 魏树伟， 等.基于 CAN 总线的煤矿井下风机监控 系统实现[J].现代电子技术， 2007， 30 （7） 177-180. [3]闫鑫， 戴鹏， 万紫嫣.矿井主扇风机监控系统的研究应用[J].煤 矿机械， 2013， 34 （4） 237-239. [4]陈建平， 施晓宽， 董伟， 等.基于 WinCC V6.2 及 S7-200PLC 的冷 却塔风机监控系统研究[J].机械设计与制造， 2012 （6） 82-84. [5]李俭霞， 彭伦天， 卢建波.煤矿主要通风机自适应监控系统的研 制[J].矿业安全与环保， 2012， 39 （S1） 116-118. [6]徐晓宇.STJK06 系列智能监控终端在矿井风机监控系统中的 应用[J].煤矿开采， 2007， 12 （4） 95-97. [7]唐超礼， 黄友锐， 凌六一.煤矿压风机监控系统的设计与实现 [J].煤炭工程， 2008 （4） 109-110. [8]刘小满.矿井局部通风机远程数字监控系统设计[J].工矿自动 化， 2017， 43 （7） 77-81. （编辑 苗运平） 系统初始 读写系统数据 1 号风机控制程序 2 号风机控制程序 数据监测子程序 故障报警子程序 主程序结束 图 4主程序流程图 Research and Design of Monitoring System for Downhole Fan Qin Jindong （Safety Supervision Station of Jinhuagong Mine, Datong Coal Mine Group Co., Ltd., Datong Shanxi 037000） Abstract First of all, this paper discusses the working mode and process of the fan, designs the overall scheme of the monitoring system, and analyzes the control structure and control principle of the system. Secondly, the hardware equipment of the system control cabinet is selected, and the principle of the main circuit and fan signal monitoring of the system is designed and analyzed. Finally, the working flow chart of the main program of the system software is designed. The monitoring system has strong anti-interference ability, and monitors the key signals of the fan operation, which provides a guarantee for continuous ventilation in the underground. Key words ventilator; monitoring system; PLC; frequency converter （上接第 55 页） 现轴封损坏的情况，并且随后的运行中也未有漏油 现象的出现。 通过合理变更液压控制原理， 正确的管 路分析计算和合理得当的改进措施， 保证了轧机液压 马达驱动系统的稳定运行， 为首钢集团公司在首钢长 钢公司轧钢 （线材） 比赛的圆满顺利做好基础保证。 参考文献 [1]雷天觉.新编液压工程手册[M].北京 北京理工大学出版社， 1998. （编辑 苗运平） Fault Analysis of Hydraulic Motor Drive System of a High Speed Mill Song Duanyang1， Wu Jie2 （1. Rolling Mill of Shougang Changzhi Iron and Steel Co., Ltd.，Changzhi Shanxi 046031； 2.Equipment Department of Shougang Changzhi Iron and Steel Co., Ltd.，Changzhi Shanxi 046031） Abstract This paper analyzes the oil seal damage of the hydraulic motor drive system of a high-speed wire mill during the running test. Through the field debugging, improvement and the calculation results of the motor running data, it is concluded that the hydraulic control principle, the selection of the motor, the selection and laying of the return oil pipe diameter will affect the perance of the whole hydraulic motor system. Design considerations and solutions are given. Key words hydraulic control principle; motor oil seal; oil return line 宋端阳， 吴杰 某高线轧机液压马达驱动系统故障分析75窑窑