徐宏洋 朱佳惠 楊霄潔 繆亦琦 吳赟煒

摘 要：煤礦需要采用機械通風，通風機是煤礦礦井的心臟，通風機的性能對于整個系統(tǒng)的運行和礦井的安全起到至關(guān)重要的作用。針對通風機的性能監(jiān)測，我們設計了基于S7-1200PLC信息采集及自動調(diào)節(jié)的礦井通風機智能控制系統(tǒng)，主要是硬件軟件和上位機界面，以實現(xiàn)對煤礦通風機的實時狀態(tài)分析。該系統(tǒng)有效提高了礦井通風機運行的智能化水平和安全程度。

關(guān)鍵詞：通風機;智能控制系統(tǒng);上位機

一、發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國外已經(jīng)將智能化、自動化控制技術(shù)與現(xiàn)代化管理技術(shù)應用到煤礦的主通風機安全管理上，而我國主通風機監(jiān)控系統(tǒng)也從簡單監(jiān)測進步到智能監(jiān)控，憑借互聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)了主通風機監(jiān)控系統(tǒng)和全礦綜合調(diào)度的連接，完成了對現(xiàn)場設備的遠程監(jiān)控，使礦井的可靠生產(chǎn)得到保證，同時系統(tǒng)自動化水平也提高了，但依舊存在許多問題，如：通風設備的檢修還停留在預防維修方式上，不能實現(xiàn)狀態(tài)維修;通風設備的管理還是停留在人為管理上，復雜的生產(chǎn)系統(tǒng)和設備依靠單人單機的管理方式，安全生產(chǎn)的數(shù)據(jù)依靠人為統(tǒng)計分析，管理還是傳統(tǒng)的經(jīng)驗主義型。

隨著國家科技興安政策的出臺和煤礦企業(yè)由粗放型向集約型管理轉(zhuǎn)變的需要，緊緊抓住科學技術(shù)的發(fā)展，建立以現(xiàn)代控制技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)，先進過程控制理論與管理有機結(jié)合的通風系統(tǒng)監(jiān)控和管理平臺，實現(xiàn)對煤礦安全生產(chǎn)的主通風機的智能控制和綜合管理，對于降低煤炭企業(yè)生產(chǎn)成本、提高通風系統(tǒng)設備運行的經(jīng)濟性和安全性、達到效益最大化、實現(xiàn)煤炭企業(yè)又快又好發(fā)展，具有強烈的現(xiàn)實意義。

二、工作原理

主通風機有抽出式、壓入式和壓抽混合式三種工作方式。本通風機監(jiān)控系統(tǒng)采用了四臺通風機，并且兩兩互為備用，當一組通風機的一號通風機運行時，二號通風機就處于檢修或者備用狀態(tài)。運用的對旋軸流風機，指前后串聯(lián)兩個直徑和輪轂比都相同但旋轉(zhuǎn)方向相反的葉輪組成的通風機。軸向尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，縮短了整機的軸向尺寸。反向性能好，改變?nèi)~輪旋轉(zhuǎn)方向即可反風，實用性和效果很好。結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。

風機運行時，風機所配備的傳感器開始工作，采集周圍環(huán)境的溫度，濕度，風壓，瓦斯?jié)舛鹊葦?shù)據(jù)并通過plc將所采集到的數(shù)據(jù)由模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，經(jīng)過與所設定的參數(shù)值比對分析之后，再次通過plc將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，最后通過轉(zhuǎn)化得到的電壓值對變頻器進行調(diào)節(jié)，各個數(shù)據(jù)都通過上位機顯示出來。下面介紹其中的一項數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的運行流程。

根據(jù)礦井通風系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)及監(jiān)測控制需求，以通風機運行時的環(huán)境溫濕情況作為基本監(jiān)測基準，通過高精度溫度濕度傳感器獲取通風機運行時的環(huán)境因素數(shù)據(jù)，將其傳輸?shù)奖O(jiān)測控制中心內(nèi)對溫度濕度進行分析，完成對其運行情況的在線監(jiān)測和故障診斷。其智能監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2.2所示中。圖引自【1】。

在煤礦風機運行過程中，溫度濕度、風量、風壓、瓦斯?jié)舛鹊拳h(huán)境因素都受到通風機的影響，因此我們可以利用在這些因素實現(xiàn)對通風機的智能調(diào)節(jié)。以大部分人比較熟悉的溫度濕度為例，為了測量不同位置的溫濕，主分管道上下兩側(cè)都安裝傳感器，即除去4扇門外管道內(nèi)側(cè)都配置傳感器，具有最佳最全的監(jiān)測效果，溫度傳感器選擇WZP-100，鉑熱電阻分度號為pt100，測量范圍為0～1300℃，允差等級B，熱響應時間40s，靈敏度高、穩(wěn)定性好。濕敏傳感器選用HG12A，濕度測量范圍為20-90%RH，精度在±5%RH，響應時間為10s。共7組，每組傳感器的數(shù)量為兩個，溫濕各一個。由于組別較多測量數(shù)據(jù)很多，不需要再在每組用兩個傳感器取平均值，系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果的準確性依舊很高。

同時為了診斷機械是否有故障問題，監(jiān)測系統(tǒng)同步對通風機電流、轉(zhuǎn)速、電壓、振動頻率、振幅等狀態(tài)進行監(jiān)測，在環(huán)境因素導致通風機運行狀態(tài)偏離正常值時，會發(fā)出故障紅色預警信息，如果只是數(shù)據(jù)異常但通風機并未受到影響，只會以黃色警告出現(xiàn)在記錄中。

2.故障診斷裝置

因為通風機智能監(jiān)測及故障診斷需要對多種監(jiān)測數(shù)據(jù)進行逐級診斷，故障判別邏輯相對復雜，如果出現(xiàn)偏差，會導致整個監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)的運行紊亂。在監(jiān)測過程中，所有的數(shù)據(jù)都會記錄在數(shù)據(jù)庫中，同時不同類型和程度的異常情況會標識出來，系統(tǒng)會對故障原因進行預判和分類，逐步對故障情況分析進行匹配，最終得到正確的診斷結(jié)果并輸出不同級別的預警信息和故障診斷報告。

由于通風機在運轉(zhuǎn)過程中具有較大的轉(zhuǎn)速和流量，再加上通風通道內(nèi)溫度濕度風壓的交叉影響，會對各類傳感器的監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生一定的干擾，因此在對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析前需要對其進行濾波處理，以提高數(shù)據(jù)分析的準確性。在故障判別時。如果故障現(xiàn)象無法與數(shù)據(jù)庫內(nèi)已有的故障類別高度匹配，則系統(tǒng)進入故障預判模式，使用相似邏輯進行預判比較，將預判結(jié)構(gòu)傳輸?shù)娇刂平K端，交給人工識別和確認，在故障解決后會同步更新記錄在數(shù)據(jù)庫中，既實現(xiàn)故障診斷速度和診斷準確性的統(tǒng)一，又通過反饋更新實現(xiàn)智能化。

3.監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

為了提升系統(tǒng)對故障診斷的智能化程度，在系統(tǒng)內(nèi)加入了自動化處理和存儲功能，能夠自主的完成對不同類別的故障現(xiàn)象、故障原因、故障處理方案等的分類存儲，同時極大地加快了數(shù)據(jù)診斷速度和準確性。系統(tǒng)具有日記功能，每天的監(jiān)測結(jié)果都行自主分析、匯總到日記中，同時輸出每日監(jiān)測分析報告，工作人員可以定時查看監(jiān)測分析報告，定期對通風機進行維修保養(yǎng)，保證了通風機運行狀態(tài)的相對穩(wěn)定，也提高了通風機維修的有效性。

4.故障診斷后反饋

在對礦井通風機故障處理后，對處理前后及正常情況下的通風機的運行效果再次進行對比，以判斷該次診斷的實際效果，對每次的數(shù)據(jù)進行分析記錄，可獲取同類問題的最佳處理方法，這個過程稱為后反饋診斷。同時，每次故障處理效果的差異都會有記錄，方便每月匯總故障率，故障處理率，故障處理準確率等系統(tǒng)性能，既使得系統(tǒng)自我完善，又變相穩(wěn)定了通風機的運行狀態(tài)

5.非故障自動調(diào)節(jié)

以上介紹的是在數(shù)據(jù)有較大影響時系統(tǒng)的故障診斷調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在平時的運行過程中，通風機的運行狀態(tài)也會改變環(huán)境狀態(tài)，一般情況下不影響運行，為了達到環(huán)境穩(wěn)定性，我們也可以實現(xiàn)人工設置自我調(diào)節(jié)，如某一煤礦工作環(huán)境要求為20-26℃，為了運行的穩(wěn)定，我們將最佳穩(wěn)定定在23℃，溫度25℃時，監(jiān)測系統(tǒng)會顯示在上位機中，通過以上數(shù)據(jù)庫處理方法調(diào)節(jié)通風機的運行速率，加大風量降低溫度。這些數(shù)據(jù)同樣的會記錄在日記中，并以曲線圖或折線圖的形式顯示。

三、系統(tǒng)設計

我們的智能控制系統(tǒng)主要是實現(xiàn)通風機狀態(tài)信息采集監(jiān)測，實時顯示監(jiān)測數(shù)在上位機上，接受上位機的操作命令，通過現(xiàn)場的變頻器與現(xiàn)場總線進行通信，并接受上位機的程序指令。如果出現(xiàn)問題或故障，會進行自動控制調(diào)節(jié)，必要時會報警通知人員維護。信息采集主要采集的數(shù)據(jù)包括環(huán)境因素和器械運行狀態(tài)，即溫度濕度，風壓風量，瓦斯?jié)舛?，通風機頻率轉(zhuǎn)速，調(diào)風門的運行狀態(tài)，運行過程中的電流電壓等參數(shù)。對此我們設計了符合需要的硬件軟件，以及一定工作條件，量程，精度的傳感器

1.硬件設計

硬件設計是指為了達到系統(tǒng)功能實現(xiàn)的需要，設計了一定規(guī)格、功能、效果的硬件。確定了功能要求后，我們設計了如下電路圖3.1，3.2

2.軟件設計

主通風機智能監(jiān)控軟件設計包括兩部分，即上位機監(jiān)控界面設計和 PLC 程序設計，上位機程序設計在最后介紹。本系統(tǒng)采用了博途軟件進行編程，plc采用了模塊化設計。主要完成了對礦井通風機的啟?？刂疲瑪?shù)據(jù)采集處理，故障報警處理等。風機的啟停控制主要分為兩種，手動和自動模式。手動模式是必須由工作人員發(fā)布命令通過觸摸屏對風機進行控制，而自動模式是由操作臺發(fā)布指令，再由plc通過內(nèi)部邏輯程序來實現(xiàn)對風機的控制。

（1）主通風機啟動程序設計。研究礦井有4臺主通風機，均有自動控制和手動控制。當位于自動模式時，系統(tǒng)根據(jù)頻率判定電機的運行狀態(tài)。當正常運行時，會用工業(yè)以太網(wǎng)將主通風機的各項狀態(tài)參數(shù)傳輸?shù)缴衔粰C控制界面，并正常啟動;若判定變頻器發(fā)生故障時，則重啟變頻器，檢查故障源并修理。如果主通風機發(fā)生故障時，系統(tǒng)會立即啟動備通風機，并報警通知工作人員維修（以風機頻率為例）。

（2）監(jiān)控故障報警程序設計。為了確保礦井主通風機正常運行，需要設計相應的程序給予保護，當發(fā)生故障時，系統(tǒng)可以發(fā)生聲光報警，啟動相應的應急措施。

（3）調(diào)節(jié)程序設計。（以風機頻率為例）算法優(yōu)化模糊PID控制器，模糊PID控制器在PLC中設計分為2步：首先，采用Matlab輔助計算得出PID控制器的模糊推理查詢表，然后使用博途軟件對數(shù)據(jù)進行存儲;，其次，將頻率比例因子和頻率量化因子存儲到數(shù)據(jù)模塊中，得到與數(shù)據(jù)分析庫中頻率偏差變化率和頻率偏差的相關(guān)關(guān)系，利用大數(shù)據(jù)查表，得到相應調(diào)節(jié)參數(shù)進行自我調(diào)節(jié)。

3.傳感器選型

我們用到的傳感器主要有溫度傳感器、振動傳感器、溫度傳感器、風壓傳感器、轉(zhuǎn)速扭矩傳感器、流量傳感器。

溫度傳感器型號為WZP-100，這種鉑熱電阻分度號為pt100，測量范圍為0～1300℃，允差等級B，熱響應時間40s。振動傳感器規(guī)格有GBC34，GBD160，GBD20，GBM2000。濕敏傳感器可選用HG11/12/12A，濕度測量范圍為20-90%RH，精度在±5%RH，響應時間為10s，工作溫度25℃。風壓傳感器用型號為MH30的擴散硅風壓傳感器，精度0.1，分辨率0.001，工作溫度為85℃。轉(zhuǎn)速扭矩傳感器型號為WSNJ-101，選擇0.1%的精度，分辨率為0.1%，工作溫度為-40～60攝氏度。流量傳感器使用LUGB-FMT，屬于電磁流量計，精度選擇±1，公稱通徑為DN25～300mm。

四、上位機界面

上位機的基本功能有流程畫面顯示，數(shù)據(jù)分析歸檔，報警報表等，是對整個系統(tǒng)工藝流程的展現(xiàn)陳列，同時也是連接不同操作設備的橋梁。流程畫面數(shù)據(jù)顯示都是pIc傳送到上位機的，報警消息也是pIc程序觸發(fā)。在上位機軟件中，可以直接通過系統(tǒng)對主通風機的風量進行控制，也可以實時調(diào)取數(shù)據(jù);可以實時了解主通風機運行狀況，當發(fā)生故障時，上位機界面可以發(fā)出警報。如圖4.1，4.2所示

五、總結(jié)

我們的智能控制系統(tǒng)較好的實現(xiàn)了智能監(jiān)控、智能診斷、智能調(diào)節(jié)。在其他智能控制系統(tǒng)主要以風行運行狀態(tài)進行調(diào)節(jié)時，我們同時依據(jù)了溫度、濕度、風量、風壓、瓦斯?jié)舛鹊仁诊L機影響的外界環(huán)境因素來智能調(diào)節(jié)風機運行功率。國內(nèi)存在的非狀態(tài)維修和非智能化故障處理在我們的智能系統(tǒng)上也得到了了較好的改善，我們定時定期的自動化監(jiān)測和診斷，有效的處理了通風機運行過程中的一些問題，穩(wěn)定性和安全性也得到了巨大的提升。不過目前仍存在一些問題，比如外界環(huán)境因素的變化并不只與風機運行狀態(tài)有關(guān)，其變化是復雜的，如何判定風機的具體運行狀態(tài)還是要依據(jù)風機自身的因素。另外環(huán)境與風機狀態(tài)之間的相關(guān)函數(shù)的計算也較為復雜，并不能完成準確無誤的調(diào)節(jié)，需要多次反饋調(diào)節(jié)。再者利用數(shù)據(jù)庫處理信息雖然快速高效，工作量也是較大的，對網(wǎng)絡、供電等有一定的要求。

參考文獻：

[1]郭鑫.礦井通風機智能監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)的應用研究.機械管理與開發(fā)，2021（9）：149，272，275

作者簡介：

徐宏洋（2000-），男，漢族，江蘇南京人，江蘇師范大學本科在讀，自動化專業(yè)

基金項目：江蘇師范大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目