煤矿主通风机运行参数监控系统的设计研究

胡国勇

（阳煤集团翼城华泓煤业有限公司， 山西 翼城 043500）

1 监控系统组成及总设计要求

监控系统组成可分为三部分：一是上位机。主要作用是监控与之相连的下位机，从而实现对主通风机状态参数的监测。与下位机连接方式一般通过WinCC软件组态完成。二是下位机。主要作用是采集主通风机、变频器以及其他组成设备监控点的数据，实现对整个系统的监控。三是主通风机监控配套设备。主要包括主通风机、各种传感器、变频器以及供配电设备等。主通风机是井下通风系统的核心设备，各类传感器对主通风机的状态参数进行采集，变频器则是用来实现系统设备的软起动，供配电设备负责对系统供电以及信号的传输[1]。通风机监测系统组成如图1所示。

监控系统需要实现的具体功能为：

1）能够对主通风系统中的在用和备用通风机实现一键切换；

2）能够实现主通风系统的故障报警与逻辑切换功能；

3）能够根据监测到的相关数据，自动调节主通风系统风量、风压；

4）能够实现主通风系统的软启停功能；

5）能够实现系统不同运作模式下，各辅助设备的自动连锁调整；

6）能够实现各监测参数的在线实时监测功能。

2 监控系统的硬件设计

监控系统的硬件设计是系统功能得以实现的基础，也是系统功能设计思路的重要体现，更是系统能否稳定准确运行的保障[2]。监控系统的设计思路及硬件组成如图2所示。

2.1 通风机风量、压力监测装置

图1 通风机监测系统组成

图2 通风机监测系统硬件设计框图

根据压差风量测试点方法，设计利用在主通风机风道局变两端为测压点。考虑到风道阻力对测点的影响，选择两测点的间距一般在1.5～2.5 m之间。监测参数后，通过式（1）进行计算，求得测点断面的全压。

式中：pst1为断面处的静压；e为断面处的空气密度；v1为断面处的风速。

目前，大部分通风机在设计制造时，为测压预留了部分侧电孔。如下页图3所示。

2.2 通风机前、后轴承振动监测装置

本设计对风机振动参数的测量，可以间接监测风机前、后轴承的振动。振动的监测参数一般选择振动频率，频率的度量参数依照频率的高低而定，高频对应加速度，中频对应速度，低频对应位移[3]。

图3 通风机静压测孔布置图

振动信号具有以下特点：低频振动信号较高频振动信号具有更加明显的方向性。针对此特点，在采集低频振动信号时，需要在横向、纵向和轴向三个方向上都安装传感器，而采集高频振动信号时，只在一个方向采集即可。在采集信号的采集频率方面，既要保证信号能够真实反应振动，又要尽可能地减少采集次数，根据信号采集理论，选择采样频率fs是振动最高频率fh的两倍。采样点数一方面影响采集信号的精度，另一方面对信号特征的显示也具有很大的影响。在确定采样点数时，一般可以根据公式N=fs/Δf确定。

2.3 风机轴功率、电动机功率因数监测装置

通风机轴功率可由式（2）求得：

式中：Pa为通风机轴功率，kW；ntr为机械传动效率；nm为电动机效率；Pe为电动机输入功率，kW。

在监控系统中，电动机的监测参数一般为有功功率和无功功率两种。在井下通风系统中，为风机电动机供电的线路中往往很难直接将功率变送器接入。本文设计中采用的是一种间接的监测方式，即通过电压、电流互感器的外接，并将功率变送器接入外接电路，从而满足了功率变送器的使用条件，即小电压、小电流输入。其中功率因数可由式（3）求得。

式中：P 为有功功率，kW；Q 为无功功率，Kvar；S为视在功率，kVA。

3 监控系统的软件设计

监控系统的软件设计是系统硬件相互连接通讯以及功能实现的桥梁，也是系统逻辑设计思路的重要体现，是系统的“神经网络”。监控系统的软件通讯组成如图4所示。

本设计中，数据库服务器和网络服务器是整个系统的核心。数据库服务器实现PLC和工控计算机的相互连接及通讯，在运行期间，还负责各种数据模块的巡检，另外，采集来的数据也是由其整理、分析并处理的，将处理完成的数据以图表或表格化等的直观方式呈现出来。网络服务器的主要任务是完成人与监控系统的交流，实现计算机语言和人类语言的互通[4]。

图4 计算机软件系统结构框图

3.1 通讯模块

设计系统的通讯方式采用PLC与工控机结合的方式。具体的通讯流程是：采集数据信号装置（压力传感器、振动传感器等），将采集来的数据信号输入到PLC，通过逻辑运算，以RS485总线为传输桥梁，将数据信号传至工控机；随后工控机按照既定程序，将需要调用执行的指令，对应的模块按照指令执行相应功能后将动作信号传递给机械执行机构，以实现实时监测监控的目的。

3.2 数据处理模块

信号采集装置在采集信号时，会受到相似信号的干扰，给采集结果的准确性造成较大影响。本设计为了解决此问题，采用了信号处理的数字滤波技术。在数据处理模块对采集到的数据进行处理时，将数据进行平滑处理，最大程度地降低干扰信号的影响[5]。在运行过程中，当传感器遇到周期性等相对稳定的干扰信号时，选择采用移动平均滤波的方法来消除干扰；当遇到振幅变化较大的突发干扰信号时，选择采用防脉冲干扰平均值滤波法消除干扰。

3.3 数据存储模块

系统中对数据的存储非常重要，可以实现数据的调取和逻辑运算的分析。本设计采用数据库存储格式。利用Visual Basic自带的Adodc控件控制Access数据库。

ConnectionString属性：它设置一个有效的连接字符串。在ADO控件没有DatabaseName属性，使用ConnectionString属性与数据库建立连接，该属性包含了用于与数据源建立健全连接的相关信息。

RecordSource属性：该属性确定可访问的数据，并将这些数据构成记录集对象Recordset。属性值是数据库中单个表名、一个存储查询或是使用SQL查询语言的查询字符串。