矿用通风机在线监控技术设计研究范文

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在矿井中，通风机的作用就是保证通风机运转安全，并为井下输送新鲜的空气，将污浊气流与粉尘有效排出。矿井通风机在运行期间，存在转动速度快且生产环境恶劣等问题，因此，其故障发生率也相对较大。一旦矿井通风机发生故障，必然会影响矿井井下的生产与安全。由此可见，深入研究并分析矿井通风机在线监控技术具有一定的现实意义。

1矿井通风机在线监控系统架构设计

现阶段，应用于矿山开采中的通风机一般会选择对旋轴流式通风机2台，交流驱动电机4台，以变频启动为主，并基于控制对象对在线监控系统进行设计。在线监控系统的控制核心就是西门子S7-300系列PLC，充分利用工业以太网以及RS485总线技术实现通讯目的。与此同时，选用传感器，并借助专用软件对模拟量以及数字量参数进行采集，并在信号处理以及数据运算的过程中，测试通风机性能参数，以达到在线监控通风机的目的。此后，即可实时监测并分析通风机多种工况下的运行参数，及时对可能发生预警的故障进行声光报警提示，以保证风机运行状态理想。此系统能够按照操作人员指令亦或是控制器既有控制程序，自动化地启动通风机，并实现倒台与反风等多种操作程序，以免出现误操作的问题，缩短停机时间与停风时间，以达到无人值守的目标。

2矿井通风机监控变量统计与硬件设备型号选型

2.1监控变量统计结果

要想对通风机运行状况进行实时监测，在线监控系统就要具备必要的监控变量。在此系统中，所需4~20mA模拟量的输入通道是54路，而数字量的输入通道是16路，4~20mA模拟量的输出通道是4路，数字量的输出通道为12路。由此，完成监控系统变量的确定。

2.2硬件设备匹配选型

在监控系统设计过程中，监控系统的核心控制器选择了西门子S7-300PLC制器，并对通风机的在线监控柜配置提出如下标准要求：DO模块、电源模块、AO模块、CPU模块、DI模块与以太网模块各一个，电流型AI模块需5个，PT100型AI模块需3个。其中，DO模块的作用为对操作台的状态进行指示并控制风门、电机的启动与停止；DI模块的功能即为采集风门状态、现场控制箱状态、操作台按钮状态以及开停传感器状态的开关量。此外，AI模块负责对于多种现场模拟传感器的采集。

3监控系统变量测量的主要方法

矿井通风机在线监控系统所需监测变量集中体现在电子轴承与定子温度、电机电量参数、电机运行状态、扩散筒差压、风机轴向与径向震动烈度、风峒内负压、风门开关状态反馈信号等多个方面。其中，扩散筒差压与风峒内负压这两个监测变量与矿井的井下生产状况存在紧密联系，所以，需高度重视以上变量监测数值的准确性。

3.1测量风峒内负压的方法

在线监控系统对矿井通风机进行监控，以抽出式通风方式为重点对象。而通风机风峒内的平均静压就是其总负压，在对风峒内负压进行测量的过程中，可通过皮托管以及其他形式静压感受管，获取风峒某一点平均静压数值。对于风峒内静压，指的就是风流对管壁产生作用的法向压力数值。因此，要想保证静压数值测量的精准性，最重要的就是选择最佳测压断面，将测压管安装于此断面处，保证其感受孔的中心线和气流的方向处于垂直状态。在测量静压的过程中，可选择使用差压变送器。在通风机房内已经设置一套对矿井负压进行测量的水柱压力计，若取压管的安装与标准使用要求吻合，即可对既有引压管进行使用，按照基本的连接方法对静压进行测量。将风峒内静压取压装置和取压橡胶管相连，在三通的作用下可细分成两路。其中的一路需要和通风机房内负压监测水柱计连接，而另外一路则要在过滤器处理以后与静压变送器低压端相连，其高压端则直接与大气连接。由此，通过变送器所输出的4~20mA电信号则为风峒内部相对静压数值，从而完成对风峒内负压的测量。

3.2测量通风机排风量的方法

选择使用在线监控系统测定抽出轴流式通风机风量，主要的方法就是落差法。在实际测定的过程中，流体力学落差法需对通风机逐渐收缩风道两端的异径断面差压数值进行测量，并对伯努利方程以及连续方程进行合理运用，最终完成通风机排风量的准确地计算。要想保证压力数值测量的精确度，可在实际测量过程中，选择通风机锥形扩散器近距离一大一小断面，在其上开设静压孔，数量为6个，且平均每间隔60°对取压点进行布置。通过对取压管的合理运用，即可并联所有静压取压装置，并在橡胶管的作用下，向压差传感器引入压力参数，进而对两断面差压数值进行测量。在此基础上，与伯努利方程、连续方程相互结合，对小断面平均风速进行计算。其中，主要的计算方法如公式（1）。在公式（1）中，V为风速，单位为m/s；ρ为空气密度，单位为kg/m3；A1所代表的是大断面截面积，单位是m2；A2则表示为小断面截面积，单位是m2。而P1则是大断面测量获取的压力数值，单位是Pa；P2是小断面测量获取的压力数值，单位是Pa。另外，ζ代表了两断面压力损失系数，而μ为系数。因此，矿井通风机单位时间排风量可表示成。公式：Q所代表的就是矿井通风机在单位时间内的实际排风量，单位为m3/h。

4矿井通风机在线监控系统现场应用

近年来，以PLC控制技术为基础设计的矿井通风机在线监控系统应用相对广泛，且在系统设置方面包括就地模式、集中模式与远控模式三种。通过在多种条件下对在线监控系统加以利用，不仅可以在有人值守的情况下增强隐患识别效果，同样也能够与视频监控相互结合，以达到无人值守的目标。另外，基于PLC控制技术的在线监控系统具有实时性特征，可对风机各项运行参数进行在线测量与处理，为矿井通风机的完全在线监控提供了必要保障。通过对矿井通风机在线监控系统的科学设计，一定程度上改善了通风机的监测现状，可对设备运行故障隐患予以及时发现，通风机安全运行系数明显提高，促进了矿井的安全生产。由此证实，基于PLC控制技术的矿井通风机在线监控系统推广可行性显著。

5结语

所设计的矿井通风机在线监控系统的实际应用，可提供内容丰富的数据信息与图形，使系统使用者在短时间内对风机运行的状态加以掌控。与此同时，将风峒内负压以及通风机排风量作为主要测量对象，合理设计准确性较高的测量方法。一旦风机处于异常运行状态亦或是发生故障，监控系统则可以及时提供报警信号与逻辑控制，使得现场操作工作人员与调度工作人员获得必要的技术参数作为参考，促进了矿井安全生产，为矿井生产效率的提升奠定了坚实基础。

作者：侯维 单位：山西灵石华苑煤业有限公司