煤矿风机在线监测系统研制
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摘要目前国内的矿井通风管理主要是通过在线监测系统来实现的， 通风设备在线监测系统能够在生产过程中随时掌握通风设备的运行状态，改变了传统的设备管理方式，提高了通风设备的自动化管理水平，有力地保证了通风机设备的经济、可靠运行，为设备的管理和维修提供了可靠的科学依据。针对目前煤矿风机在线监测的需要，本文设计了一套集成化的煤矿风机在线监测系统。该系统主要由传感器信号采集处理、数据通信传输和计算机在线监测三部分组成，实现了对矿用通风机风压、流量、功率以及温度参数的在线实时监测。
关键词 煤矿风机 在线监测 信号采集 数据通信
引 言
风机是矿井要害设备之一。由于煤炭矿井下条件恶劣，设备的故障发生率比较高 ，一旦发生故障，将会对生命财产安全造成重大影响。据资料统计， 我国大多数煤矿的通风电耗占整个煤矿电耗的 20% ～ 30% ， 而我国国有重点煤矿目前使用的主要通风机中运转平均效率低于50%者占将近一半[1]，故有必要建立一套功能齐全，准确率高的在线监测系统。目前传统的设备由于系统设计过于简单、监测内容不全面、误判概较大，所以使用起来不精确、不方便。开发一套高精确度的在线监测系统，将具有重要的经济价值和社会意义。开发高
1 系统功能与组成
系统的主要功能有：实时监测通风系统参数、通风机的性能参数、电机的电气参数、轴承温度、数据管理、报表管理、性能测试、远程通讯等。
1.1系统特点
（1）采用了先进的计算机技术，功能强大，智能化程度高;以图形界面显示工作状态，画面丰富，直观生动。性
（2）采用模块化设计方案，系统抗干扰能力强，运行精度高，使用维护方便。
（3）采用了先进的计算机技网络技术，实现了全矿数据共享。
（4）采用了多种抗干扰措施，因此系统的抗干扰能力强，可靠性高，监测准确。
（5）流量监测措施独特、新颖，可靠性好、精度高。
（6）选用了可靠性好、精度高的传感（变送）器。
（7）软件设计安全性高。操作简单快捷、维护方便
1.2系统的组成
本系统以PLC为核心，主要由信号测取装置和传感（变送）器、转换装置、通讯装置、PLC信号处理装置、显示器等组成。
（1）信号测取装置和传感（变送）器主要包括取压裝置、模拟量采集器、压力变送器、温度采集器等。
（2）转换装置主要包括滤波环节和电压/电流变换。
（3）PLC信号处理器。
（4）通讯装置主要包括10mbps/100mbps自适应网卡。
（5）上位机显示器。
如图1所示。
图1系统组成图
2 信号检测
本系统所检测的信号主要包括气体的流量、电机的轴承温度、绕组温度、电气参数、流量、震动、转速、瓦斯浓度等。
2.1 气体的流量检测
系统对流量监测的核心任务是监测气体在流经风机时经过断面时所产生的压力值。风机厂家在设计施工时一般都在风机上方预留有两个取压口，通过软皮管连接到风机外侧。如果在设计时未预留取压口，可根据《煤矿用主要通风机现场性能参数测定方法》MT421-1996[2]。
中华人民共和国煤炭工业部1996-12-30批准，P1测点布置在一级风机环形断面测点分布见图二a，测点布置在水平、垂直的两条直径与硐壁和芯筒外缘的交点a、b、c、d、e、f、g、h处;P2测点布置在连接风筒圆形断面见图1b，测点布置在水平、垂直的两条直径与硐壁的交点a、b、c、d处，见图二b;
图2风机环形断面图
系统使用压力变送器，分别将两台风机的4个断面处的压力转换为频率信号，送到PLC进行数据处理，换算得到对应的数值。最后交由计算机显示出来。
2.2 电机的轴承温度、绕组温度的测量
对电机绕组及轴承温度的测量使用电机中预埋的PT100热电阻与EDA9018温度采集模块配合实现。
由于风机距离控制柜较远（一般为40m左右），所以采用三线制接法。其中IX-端为补偿端，在PT100的电阻引出脚处短接，用以低消线路电阻引起的测量误差。
PT100的三条引线分别接于EDA9018的信号输入正端、信号输入负端、模拟地端。电机温度的变化将引起PT100阻值的变化，EDA9018将测量到的PT100的阻值变化信号在内部经过处理，输出当前PT100所处位置的实际值，通过485总线传输至计算机。计算机将获取的数据处理并显示出来。
2.3 电气参数的测量线监测
对风机电参数的测量内容包括电机运行时的供电电压、运行电流、有功功率三个主要参数。
系统的电参数采集模块采用三相电功率采集模块。
三相电功率采集模块是一种智能型三相电参数数据综合采集模块;三表法准确测量三相三线制或三相四线制交流电路中的三相电流、三相电压（真有效值）、有功功率、无功功率、功率因数、有功电度等电参数。
其输入为三相电压（0～500V）、三相电流（0～1000A）;输出为EDA485C或RS-232接口的数字信号，支持的通讯规约有3种：
ASCII码协议、十六进制LC-01协议、MODBUS-RTU协议，3种协议可同时识别使用，无需配置。
三相电功率采集模块可广泛应用于各种工业控制与测量系统及各种集散式/分布式电力监控系统。
2.4 流量的计算
将在通风机出口测的平均动压由公式：
（1）
式（1）中v为通风机风速， ;P为通风机出口的平均动压，Pa;为大气密度（现场实际测量计算所得），;
（2） 式（2）中Q為通风机风量，; A为通风机出口的侧测风截面的面积，;
2.5 震动的测量
在风机工作时，为了满足通风机故障诊断的需要， 部分监控系统增加了对轴承故障敏感的振动信号和噪声的监测功能[3]，风机的振动引起振动变送器输出电流的变化。由振动变送器输出的4-20mA的电流信号送入模拟量采集模块，模拟量采集模块将输入的模拟电流信号经A/D转换后与PLC通讯，PLC获得振动检测的原始信号。应用程序将此原始信号处理后得到实际的振动烈度，交由工控机由工控组态软件显示出来。
2.6 转速的测量
霍尔转速传感器采用霍尔效应，当金属齿经过霍尔传感器前端时，引起磁场变化，霍尔元件检测到磁场变化，并转换成一个交变电信号，传感器内置电路对该信号进行放大、整形，输出良好的矩形脉冲信号，测量频率范围更宽，为了使输出信号更精确，稳定输出信号交由模拟量模块采集。
2.7 瓦斯浓度检测
在风机进风口处安装瓦斯传感器，瓦斯传感器输出4-20mA标准信号到模拟量采集器，模拟量采集器通过485与PLC进行通讯，由PLC来进行数据处理，最终交由上位机组态王来显示处理。
3 上位机设计
监控上位机采用工业控制计算机，上位机人机界面采用工业组态王软件设计开发，对接收的数据进行还原显示、存贮和历史曲线等，对数据进行分析判断处理。上位机人机界面如图3所示。
图3 上位机人机界面
4 结语
通过在现场实际运行，证明本系统不仅可对风机运行提供实时监测，而且可对机组当前运行状态进行全面的信息分析和诊断预测，可广泛地用于对各类风机、电机、水泵、发电机、压缩机等机器设备运行状态进行在线监测和诊断分析。
5 参考文献
1. 坚德毅.矿井主扇风机控制与在线监测系统的研究[J].电气传动自动化，2017（06）
2. 刘艳艳，赵瑞平，郭永庆.矿井主扇风机监控系统总体设计研究[J].科技讯，2014（02）
3. 郑建华，沈会初，郝 亚 峰.矿井局部通风机智能远程监控系统设计[J].陕西煤炭，2014（6）：87-89.
4. 陈海峰.一种煤矿主要风机监控系统的设计[J].工矿自动化，2011（9）：103-105.
5. 李晓君.矿用通风机变频调速系统的设计应用[J].机械管理开发，2018（11）
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