基于s7300的礦井通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用1

1、基于S7-300PLC的煤礦通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用摘要：針對平煤十礦三水平風(fēng)井傳統(tǒng)停風(fēng)倒機(jī)模式下井下出現(xiàn)短暫停風(fēng)，倒機(jī)時間較長，可能引起瓦斯超限，不能實(shí)時了解系統(tǒng)運(yùn)行狀況、不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息化監(jiān)控等現(xiàn)狀。研究利用熱備用倒機(jī)和網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)，以高性能的S7-300PLC和工控機(jī)為核心，配以高精度的傳感器，來實(shí)現(xiàn)礦井主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控。應(yīng)用表明，該在線監(jiān)控系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制，而且能夠可靠完成不停風(fēng)自動倒臺，縮短了倒機(jī)時間，杜絕了因風(fēng)機(jī)正常倒機(jī)可能引起的瓦斯超限事故，大大提升了礦井主通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行管理水平。關(guān)鍵詞：主通風(fēng)機(jī)；在線監(jiān)控；不停風(fēng)倒機(jī)；應(yīng)用中圖分類號：TD635 文獻(xiàn)標(biāo)識

2、碼：A據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國煤礦事故中近60%以上是由于通風(fēng)系統(tǒng)管理不善、瓦斯?jié)舛冗^高引起的1。平煤十礦作為瓦斯突出礦井，曾經(jīng)多次出現(xiàn)局扇停風(fēng)2分鐘采面瓦斯超限事故，因此主通風(fēng)機(jī)安全可靠運(yùn)行對十礦意義重大。當(dāng)前，十礦三水平風(fēng)井仍采用傳統(tǒng)停風(fēng)倒機(jī)方式，正常倒機(jī)一次用時較長且井下會出現(xiàn)短暫停風(fēng)，嚴(yán)重影響著十礦的安全生產(chǎn)，且系統(tǒng)存在不能實(shí)時顯示系統(tǒng)工作狀況、不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息化監(jiān)控、不能進(jìn)行主要運(yùn)行參數(shù)的在線監(jiān)測等缺點(diǎn)，亟需進(jìn)行技術(shù)改造，來提升安全可靠運(yùn)行水平和自動化水平。1、現(xiàn)狀分析十礦三水平風(fēng)井擔(dān)負(fù)著戊組中區(qū)、東區(qū)的通風(fēng)任務(wù)。風(fēng)機(jī)為南陽防爆電機(jī)廠生產(chǎn)的BDK6188NO.30對旋風(fēng)機(jī)，配用電機(jī)型號為YBF6

3、308，電壓：6KV，功率：4×500KW。采用傳統(tǒng)倒機(jī)模式進(jìn)行倒機(jī)操作，即：停止運(yùn)轉(zhuǎn)主通風(fēng)機(jī)關(guān)閉運(yùn)轉(zhuǎn)主通風(fēng)機(jī)閘板風(fēng)門，開啟備用通風(fēng)機(jī)閘板風(fēng)門啟動備用通風(fēng)機(jī)倒機(jī)完成，正常情況下倒機(jī)一次需時約7分鐘，雖未超過規(guī)程規(guī)定的10分鐘時間，但井下會出現(xiàn)約3分鐘的停風(fēng)，對瓦斯涌出量為110.14m3/min的十礦來說，是很大的安全隱患。另外風(fēng)機(jī)操作全為人工操作，倒臺一次需用7人；監(jiān)測系統(tǒng)只監(jiān)測電壓、電流、負(fù)壓、溫度，且分散顯示，故障警鈴報(bào)警；司機(jī)每小時巡查一次，記錄主要運(yùn)行參數(shù)，但不能有效發(fā)現(xiàn)潛在的故障。隨著十礦向自動化信息化方向發(fā)展，設(shè)備已不適應(yīng)運(yùn)行及管理要求，因此急需進(jìn)行技術(shù)升級改造，實(shí)現(xiàn)風(fēng)

4、機(jī)的在線監(jiān)控，提升礦井的安全生產(chǎn)水平。2、煤礦通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)的研究根據(jù)生產(chǎn)的需要，通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)必須具有以下功能：（1）要能完成正常情況下的自動不停風(fēng)倒機(jī)和故障情況下的倒機(jī)操作，且要運(yùn)行平穩(wěn)可靠；（2）新安設(shè)備要與原系統(tǒng)有一定的獨(dú)立性，要能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程操控和就地控制功能的轉(zhuǎn)換；（3）要能實(shí)現(xiàn)直觀可見的系統(tǒng)主要參數(shù)在線監(jiān)測和故障預(yù)警報(bào)警，并加入專家診斷系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)故障預(yù)測，變定期檢修為狀態(tài)檢修，更好的保證通風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行；（4）系統(tǒng)要具有網(wǎng)絡(luò)接口，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和操控，方便遠(yuǎn)程控制，并且系統(tǒng)操作要簡單，運(yùn)行維護(hù)要方便，可靠性要高，測量顯示數(shù)據(jù)要準(zhǔn)確。2.1、監(jiān)測功能研究作為在線監(jiān)控的

5、核心功能，監(jiān)測功能需實(shí)現(xiàn)對通風(fēng)風(fēng)量、負(fù)壓、風(fēng)機(jī)軸承溫度，配套電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)，電機(jī)電參數(shù)、定子溫度和風(fēng)門的開閉狀態(tài)等基本參數(shù)的在線實(shí)時監(jiān)測；為滿足風(fēng)機(jī)故障診斷的需要，增加對軸承故障敏感的振動信號和噪聲的監(jiān)測，利用信號分析方法進(jìn)行故障判斷。系統(tǒng)所選測控設(shè)備如壓力變送器（精度0.5級）、流量計(jì)（精度2.5級）、溫度計(jì)（精度0.5級）、電壓表（精度0.25級）、電流表（精度0.25級）都為高精度高可靠性元件，保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，以防出現(xiàn)因測量單元測量問題影響風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。數(shù)據(jù)在采集后送入PLC進(jìn)行處理，并和工控機(jī)交換數(shù)據(jù)，通過組態(tài)軟件最終直觀顯示，便于觀察和存儲，生成報(bào)表和歷史數(shù)據(jù)。2.2、監(jiān)

6、控系統(tǒng)的控制功能研究監(jiān)控系統(tǒng)的控制功能要實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的啟動、停止，風(fēng)門開、閉等集中控制，能進(jìn)行自動倒機(jī)、故障狀態(tài)下的備用通風(fēng)機(jī)自動投入，并能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。依據(jù)專家診斷系統(tǒng)的分析，實(shí)現(xiàn)在線狀態(tài)檢修，消除以往定期檢修超前或滯后存在的弊端，提高設(shè)備可靠運(yùn)行水平。2.3、不停風(fēng)自動控制倒機(jī)的實(shí)現(xiàn)要想實(shí)現(xiàn)不停風(fēng)，其前提就是不停機(jī)，不能失去通風(fēng)動力，為了保持通風(fēng)動力持續(xù)供應(yīng)，就要從對通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)的角度來開展倒機(jī)控制系統(tǒng)方案的研究和設(shè)計(jì)。采用在通風(fēng)機(jī)入口處加裝對空風(fēng)門的倒機(jī)方案是最佳的實(shí)用方法【2】，即：在主通風(fēng)機(jī)的入口處將原來的風(fēng)門改造成2 個聯(lián)動的風(fēng)門，一個為水平對空風(fēng)門,另一個為立式掛網(wǎng)風(fēng)門。如下圖1

7、所示，通過水平對空風(fēng)門，可以降低原“停機(jī)倒機(jī)”模式下風(fēng)機(jī)啟動風(fēng)阻，提高風(fēng)機(jī)啟動的成功率。風(fēng)路切換由四個百葉窗調(diào)節(jié)風(fēng)門聯(lián)合動作來完成（可在40S以內(nèi)完成），利用其切換快速靈活的特點(diǎn)，通過一定的控制策略，很好的實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)機(jī)倒機(jī)期間的通風(fēng)穩(wěn)定，杜絕了倒機(jī)期間可能出現(xiàn)的瓦斯超限問題。圖1 改造后的風(fēng)門布置圖倒機(jī)過程如下（假設(shè)1號風(fēng)機(jī)向2號風(fēng)機(jī)倒機(jī)）：（1）1號風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)中，打開2號水平對空短路風(fēng)門，開啟2號風(fēng)機(jī)。（此時2號風(fēng)機(jī)風(fēng)流從水平對空短路風(fēng)門進(jìn)，出風(fēng)口出，實(shí)現(xiàn)開機(jī)前的熱備用。）（2）經(jīng)檢查（專家系統(tǒng)自檢）2號風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，切換風(fēng)門系統(tǒng)。由系統(tǒng)控制打開1號水平對空風(fēng)門，同時關(guān)閉1號立式掛網(wǎng)風(fēng)門

8、，同時打開2號立式掛網(wǎng)風(fēng)門，關(guān)閉2號水平對空風(fēng)門，使原運(yùn)行1號風(fēng)機(jī)過渡到空運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，使2號風(fēng)機(jī)過渡到正常帶載狀態(tài)。（3）經(jīng)檢查2號風(fēng)機(jī)掛網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，停下原運(yùn)轉(zhuǎn)1號風(fēng)機(jī)，倒機(jī)完成。針對風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)突然停轉(zhuǎn)現(xiàn)象及由此引發(fā)的嚴(yán)重后果，系統(tǒng)加入專家診斷功能，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)運(yùn)行故障的自動識別，并保證在2分鐘內(nèi)完成向備用風(fēng)機(jī)的切換，可以有效遏制因風(fēng)機(jī)本身故障引發(fā)的通風(fēng)系統(tǒng)事故的擴(kuò)大。3、在線監(jiān)控系統(tǒng)的組成監(jiān)控系統(tǒng)以西門子S7-314PLC及研華工控機(jī)為核心，內(nèi)裝有為不停風(fēng)倒機(jī)而專門開發(fā)的風(fēng)機(jī)故障專家診斷系統(tǒng)及熱備用倒機(jī)軟件程序，通過組態(tài)王6.5軟件設(shè)計(jì)了監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)交互，直觀的顯示了系統(tǒng)運(yùn)行狀況

9、和各項(xiàng)主要參數(shù)。通過自動倒機(jī)程序和在線監(jiān)控裝置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，此外還配備高可靠性、高精度的傳感器、信號測取裝置、通訊裝置、輸出及顯示裝置等，系統(tǒng)圖如下圖2所示。圖2 在線監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：（1）實(shí)現(xiàn)了不停風(fēng)狀況下兩臺風(fēng)機(jī)的切換控制，達(dá)到一鍵式倒機(jī)。（2）實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測風(fēng)機(jī)的負(fù)壓、風(fēng)量、軸功率、電機(jī)電流、電壓、功率、軸承溫度、徑向軸向振動、電機(jī)繞組溫度等參數(shù)；風(fēng)機(jī)振動、風(fēng)機(jī)開停信號、正反風(fēng)信號、風(fēng)門開閉信號。能通過組態(tài)軟件顯示風(fēng)機(jī)模擬運(yùn)行畫面，并能實(shí)時顯示、存儲、查詢、打印監(jiān)測數(shù)據(jù)和報(bào)表。（3）具備遠(yuǎn)程傳輸接口，能接入礦井生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)。（4）專家系統(tǒng)可以在風(fēng)機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)不正

10、常狀態(tài)時進(jìn)行故障判斷，輸出報(bào)警信號和診斷結(jié)果；在發(fā)生故障停機(jī)時，根據(jù)故障狀態(tài)提示司機(jī)進(jìn)行處理，并能在故障時自動倒機(jī)。4、監(jiān)控系統(tǒng)的安裝與應(yīng)用4.1、監(jiān)控系統(tǒng)的安裝在經(jīng)過現(xiàn)場測量和技術(shù)培訓(xùn)后，在2011年6月，制定安裝方案：先改造1號風(fēng)機(jī)風(fēng)門及監(jiān)控系統(tǒng)，再改造2號風(fēng)門及監(jiān)控系統(tǒng)。主要施工內(nèi)容有：（1）破除1號風(fēng)機(jī)水平對空風(fēng)門所在的位置基礎(chǔ)，安裝水平對空風(fēng)門1套，并安裝就地控制操控機(jī)構(gòu)；（2）破除立式掛網(wǎng)風(fēng)門所在的位置基礎(chǔ)，安裝立式掛網(wǎng)風(fēng)門1套，并安裝就地控制操控機(jī)構(gòu)；（3）安裝操控柜、自動倒機(jī)監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1套，安裝各種測控單元并接線，進(jìn)行調(diào)試。（4）2號風(fēng)機(jī)施工與1號風(fēng)機(jī)施工內(nèi)容相同。單臺施工

11、工期15天，共計(jì)一個月時間完成安裝工作，安裝全過程沒有影響風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。4.2、監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用在施工完成后，進(jìn)行系統(tǒng)接線并調(diào)試軟硬件，達(dá)到要求后，工控機(jī)監(jiān)控界面如下圖3所示：圖3 監(jiān)控系統(tǒng)界面從圖中可以看出，監(jiān)控系統(tǒng)可監(jiān)測到風(fēng)井負(fù)壓、風(fēng)門開閉狀態(tài)、風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、軸承溫度、電機(jī)電壓、電流、功率、功率因數(shù)等狀態(tài)參數(shù)，系統(tǒng)在安裝完成后于9月進(jìn)行第一次試驗(yàn)倒機(jī)，倒機(jī)用時1分40秒，運(yùn)行可靠，監(jiān)測數(shù)據(jù)精確。4、結(jié)語十礦三水平風(fēng)井主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)采用先進(jìn)、可靠、精確的傳感器測量現(xiàn)場數(shù)據(jù)，使用S7300PLC與現(xiàn)場的操控可靠的配合，不僅實(shí)現(xiàn)了對煤礦主通風(fēng)機(jī)不停風(fēng)倒機(jī)過程的精確控制；杜絕了因倒機(jī)期間通風(fēng)中斷可能造成的瓦斯積聚、超限現(xiàn)象，消除了安全隱患，同時實(shí)現(xiàn)了對通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量、負(fù)壓、通風(fēng)機(jī)性能參數(shù)、配套電機(jī)工作參數(shù)及起停狀態(tài)、風(fēng)門狀態(tài)的在線實(shí)時監(jiān)測。改變了通風(fēng)設(shè)備傳統(tǒng)“定期維修”管理方式為“狀態(tài)檢修