基于PLC的矿井主要通风机网络化在线监测.pdf

第3 7 卷第1 期 2 0 0 9年 1月 煤 炭 科 学 技 术 Co a l S c i e n c e a n d T e c hn o l o g y Vo 1 ．3 7 No ．1 J a n ． 2 0 0 9 基于 P L C的矿井主要通风机 网络化在 线监测 卢平 ，余陶 ，邱春亮 ，姜希印 1 ．安徽建筑工业学院 ，安徽 合肥2 3 0 0 2 2 ；2 ．充州矿业集团有限责任公 司 济二煤矿 ，山东 济宁2 7 2 0 7 2 摘要 依据现行矿井主要通风机在 线监测的难题，提 出了基于 P L C的矿井主要通风机 网络化在 线监测方法，着重介绍了主要通风机风量监测的原理 ，数据采集、处理的方法以及在线监测系统的 研制方法与实例。该系统在煤矿 日常通风管理 中的具体应用，提高 了主要通风机运行 的安全性和可 靠性。 关键词 主要通风机；在线监测；风量监测 中图分类号 T D 6 3 5 文献标志码 A 文章编号0 2 5 32 3 3 6 2 0 0 9 O 1 0 0 2 2 0 3 Ne t wo r k o n Li n e M o n i t o r i ng a nd M e a s ur i ng o f M i n e M a i n Ve n t i l a t o r Ba s e d o n PLC 、LU Pi n g ，YU Ta o ’ ，Q I U C h u n l i a n g ， J I A N G X i y i n 1 ．A n h u i U n i v e r s i t y o fA r c h i t e c t u r e ， nef e i 2 3 0 0 2 2 ，C h in a； 2 ．fin i n g N o ． 2 Mi n e ， Y a n z h o u C o a l Mi n i n g G r o u p C o r p o r a t i o n L t d ． ， fin i n g 2 7 2 0 7 2 ，C h i n a Abs t r a c t Ac c o r di ng t o t he o n l i n e mo n i t o r i n g a n d me a s u rin g d i ffic u l t i e s o f t h e mi ne ma i n ve nt i l a t o r i n t he pr e s e n t p r o d uc t i o n mi ne s ，t h e p a p e r p r o v i d e d t h e n e t wo r k o n l i n e mo n i t o r i n g a n d me a s u ri n g me t h o d o f t h e mi n e ma i n v e n t i l a t o r b a s e d o n t h e P L C ．T h e p a p e r e mp h a s i z e d t h e i n t rodu c t i o n o n t he pr i nc i p l e，d a t a c o l l e c t i o n a n d pr o c e s s i ng me t h o d o f t h e v e n t i l a t i o n q u an t i t y mo n i t o r i n g a nd me a s ur e me n t f o r t h e mi n e ma i n v e n t i l a t o r a n d t h e r e s e a r c h a n d d e v e l o p me n t me t h o d a n d p r a c t i c a l c a s e s o f t h e o n l i n e mo n i t o ri n g a n d me a s u r i n g s y s t e m． T h e c e r t a i n a p p l i c a t i o n o f t h e s y s t e m i n t h e mi n e d a i l y v e n t i l a t i o n ma n a g e me n t i mp r o v e d t h e s a f e t y a n d r e l i a b i l i t y o f t h e mi n e ma i n v e n t i l a t o r o pe r a t i o n． Ke y wo r d sma i’n v e n t i l a t o r ；o n l i n e mo ni t o r i n g a n d me a s urin g；mo n i t o rin g a n d me a s u r e men t o f v e n t i l a t i o n q u a n t i t y 1 概 述 矿井主要通风机承担着矿井的供风 、排出有害 气体和粉尘以及调节井下微气候的任务 ，其稳定可 靠运行是保障煤矿安全生产的关键。主要通风机运 行工况直接关系到矿井主要通风机运行的安全经济 性，因此对其实施在线监测 ，进行主要通风机性能 分析并对可能发生的故障进行预报十分重要 ，对提 高矿井通风安全管理现代化和矿井安全生产有着重 大的现实意义 。流量和全压直接反映通风机的内在 性能 ，对轴流式通风机 的喘振故 障进行实时预报 ， 则需依照通 风机工作点 的流量和静压等参数 的监 视 ，结合通风机性能曲线来实现。 目前 ，通风机风 量准确测定仍是主要通风机在线监测的难点 。传统 基 金 项 目 安 徽 省 教 育 厅 自 然 科 学 重 点 基 金 资 助 项 目 K J 2 0 0 8 A 0 7 3 ；省人才 开发资金资助项 目 2 0 0 7 Z 0 3 1 2 2 的风表或 电子风表测定法、皮托管动态测定法等， 都需要安装测试 支架 和传感 器 ，并做 大量准备工 作 ，同时受矿井空气环境 差 、风速 高和风硐的影 响，这些方法不能实现稳定 的长时间在线监测 。因 此寻求一种适于矿用主要通风机等大管径设备的流 量在线监测方法在工程 中具有重要的意义。 目前 ，我国绝大部分矿井主要通风机安设了负 压传感器，可实现对主要通风机人 口负压进行在线 监测 ，但主要通风机入 口负压和通风机的静压是 2 个完全不同的概念，特别是在主要通风机人 口取负 压断面风速较大时 ，两者差值大，根据负压值与通 风机性能曲线判断通风机运行工况及其稳定性会造 成错误 的结论。传统的监测系统用单片机监测矿井 主要通风机工况，由于受通风机房 电动机磁场 、振 动等多因素影响 ，极易造成单片机 系统不稳定 ，数 据紊乱 、失真。现有的主要通风机监测系统设在通 风机房 内，尚未与矿 井调度监控 中心形成 网络通 卢平等基于 P L C的矿井主要通风机网络化在线监测 2 0 0 9年第 l 期 信，不利于通风管理部 门对主要通风机运行的有效 管理。提出一种基于主要通风机特性参数实时监测 的矿井主要通风机网络化在线监测系统 ，该系统采 用一种通风机运行特性参数 自动在线监测和矿井主 要通风机网络化监测技术 ，为管理与技术人员提供 直观的网络化在线信息 ，保证主要通风机及其配套 设备的安全及经济运行，实现矿井安全生产。 2 主要通风机运行 工况监测原理和方法 2 ． 1 风 量监 测原 理 根据流体力学和空气动力学理论 ，气流在水平 风道流动过程 中，当紊流气 流通过局部变截面时， 动能和静压能将发生相互转换 ，由大断面向小断面 流动时，静压能向动能转换 ，具体表现在两断面静 压差值 ，通过静压差的测量 ，可反映风量的内在变 化规律，实现风量的在线监测。信号的大小与流场 的紊乱程度 、局部变截面的类型和变化程度有关 。 即通过对风道中某个局变区段 的静压差实施监测 ， 并采用高精度测速仪进行各工况的风量测定，以确 定风量与差压的对应关系，从而实现矿井通风系统 在线监测的测量方法差压风量监测法。 以 G A F通风机为例 ，典型的主要通 风机装置 及风硐布置如图 l 所示。一般主要通风机入口前有 l 0～2 0 m 的平直段进风道，大量通风机测定结果 表明该平直段进风道内风流流动场分布较均匀 ，各 断面风流的相对静压 、动压稳定。在通风机入 口前 有 I 断面 圆形 和 Ⅱ断面 圆环形 ，面积变化 大。制造通风机时已分别在 I 和 Ⅱ断面上按等周长 原则在通风机外壳周壁布置 8个静压管 ，并用环形 钢管连接在一起以分别取断面风流的平均静压，两 断面间距很小 1 ． 0～ 3 ． 0 m ，根据风流流动的能 量方程 ， I和 Ⅱ两断面问的能量转换关系为 h R 2 Q ／ 2 g S h l一『 】 2h 1 2h l h ， 1 图 1 G A F通风机装置及风硐布置示意 式中h I和 Ⅱ两 断面风流 流动 的阻力损 失 ，P a ； 集流器的阻力系数 ； p 人 口风流的空气密度 ，k g ／ m ； 9 风量 ， m ／ s ； g 重力加速度 ， m ／ s ； S Ⅱ断面的断面积，m ； h I 和 Ⅱ断面风流的相对静压 ，P a ； h 。 ， I 和 Ⅱ断面风流的平均动 压，P a ， 其 中，h p Q ／ 2 S ，h p Q ／ 2 S ， S 。 为 I 断面的断面积； h I 和 Ⅱ断面风流位压差 ，P a ，对通 风机入 口平直段取 0 。 整理式 1 得 Ah h 1一 hs 2 hv 2一 h l hR 1 ．2 一 h 1 ．2 f L 一 1 2 g＼ S S ／ 主要通风机的风量 Q计算如下 s 2 式 中 考虑摩擦等 的热功耗散系数，可由试 验模型确定 ； A h 某工况时 I和 Ⅱ断面的静压差 ，P a ； p 某工况时的空气密度 ，k g ／m ； 断面变化系数 ；k S ／ S 。 。 实验室模拟研究表明，当通风机人口集流器的 气流雷诺数 R e5 ． 51 0 时 ，考虑摩擦等 的热功 耗散系数 一 0 ． 0 2 。矿井主要通风机最小运行风 量时的气流雷诺数 均大于 5 ． 51 0 。因此若 I 和 Ⅱ断面参数已知 ，则只要测定 I和 Ⅱ断面的静压 差和风流的空气密度 ，即可 由式 2 求算通风机 的风量 ，测试方法简便可靠。 2 ． 2风量 监测 方法 采用差压变送器 L D 1 8 5采集所需 的压力数据， 该差压变送器选用进 口压力芯片 ，采用铝合金或不 锈钢外壳以及应力隔离技术组装而成 ，利用先进的 电路线性和温度补偿技术 ，使其线性更佳 ，温漂系 数更低 ，抗干扰性强。传感器直接放 置在取压地 点，消除传压管路 中的积水堵塞问题 ，风量和负压 的电信号通过变送器输入监测核心 P L C，解决 了取 压和信号输 送的技术问题。所得 的压力数据经过 E M 2 3 1 模拟量处理模块输入到 C P U 2 2 6 ，经程序处 2 3 2 0 0 9 年第1 期 煤 炭 科 学 技 术 第3 7 卷 理后得到所需 的风量 ，并通过 H MI 显示终 端的触 控屏 T P 0 7 0显示。风量监测流程如图 2所示。 蠢 压 变 送 E量 M 处 2 理3 1 模N 块2 C P U 2 2 6L D I 8 5 器卜 叫量 处 理 模 块 卜 _ _ 1／ 1 ] l H M显示终端 负压 l l T Dn 图 2风 量 监 测 流 程 2 ． 3 通风机静压监测方法 主要通风机静压与通风机入 口负压的关系为 n 2 h 1一 h l h 1一 L 】1 因此 ，在准确测量主要通风机风量基础上，通 过测定通风机入 口断面负压 h 可在 P L C的 C P U 处理器准确测算主要通风机的静压 。 3 通风机在线监测系统设计 3 ． 1 监测参数 依据对通风机管理的需要 ，主要监测参数为通 风机静压和风量 、电动机的运行参数 电流 、电 压 、功率 以及通风机运行效率。 3 ． 2实现原 理 主要通风机的负压和静压差 流量信号可 直接由 P L C数据采集模块采集并通过程序控制显 示在触摸屏 上，同时利用 P L C的频率输 出端 口直 接传输到监控分站进入矿井监控中心上位机。电动 机电流和电压信号可通过一进二出转换器，一路被 数据采集模块采集 ，另一路可通过频率转换器传输 到监控分站进入上位机 。组成原理如图 3所示 。 3 。 3 系统设计 K F J 矿井 主要通风机监控 系统 面板 如图 4所 示 ，通风机的风量和负压数据由压差进 口和负压进 口进入通风机监控系统 ，由压差信号输 出口和负压 信号输 出口传输 到通 风机 P L C监控 系统，并 由负 压 P输 出口和流量 Q输 出口输 出，可 以连接到矿 井监测系统 中，实现网络化监测。 1 2 1 一差压进 口 4 一负压信号输 出 7 一电源 接 口 1 0 一电流信号输 出 1 3 一电压信 号输 入 2 一负压进 口 5 一差压信 号输入 8 一电流信 号输入 1 1 一负压P 输 出 1 4 一电流信 号输入 3 一差压信号输 出 6 一负压信号输入 9 一电压信号输出 1 2 --流量 Q输 出 1 5 一液晶显示屏 图 4 K F J 矿 井主要通风机 监控系统面板示意 主要通风机在线监测系统安装在矿井通风设备 中，加上电源后可以对矿井 中各个参数进行监控 ， 通过电量变送器采集的电动机电压和电流通过电量 变送器处理后送入 P L C中，经过程 序处理 ，在触 摸屏上可以显示出当前 电动机的工作 电流和工作 电 压 ，同时将电动机的有效功率也显示 出来。而负压 和风量也通过负压变送器采集后送入 P L C，在触摸 屏上同时也可以显示出来 ，这些参数 同时可接人矿 井监控系统 ，实现主要通风机运行参数现场和网络 化监测。 一 l 意 l I l l 巍 l l l 4 现场应用实例 硒 l 变 送 器l l 变 送 器 l l 变 送 器 l l 变 送 器l 。 肚， 1 I 进二出 一 进二出 l }一进二 P C ／ P P f } 转换器 l l 转换器 l I 转换器 P L C C P U P L C 数据采集模块 2 4 V电 流量 l 差压 上位机 H 监控分站 频率 转换器 图 3 矿井主要通风机在 线监测 系统组成原理 系统的核心部分全部封装在控制柜中，保证系 统的完整性和抗 干扰能力 ，对外 只限于引入风量、 负压、电压及电流等参数 ，同时也送出相关 的频率 到远程监控中心，完整的封装保证了系统的稳定性 和准确性。 2 4 济宁二矿矿井通风方式为中央并列式 ，主井 、 副井进风 ，中央风井 回风。中央风井地面通风机房 安装 2台 G A F 3 1 ． 61 5 ． 8轴 流式通风机 ，其 中 1 台运转 ，1台备用。2台通风机均配备 T D 1 6 0 08 ／ 1 1 8 0同步电动机 ，电动机额定功率 1 6 0 0 k W，额 定转速 7 5 0 r ／ m i n 。测定时矿井运行 1台主要通风 机 ，矿井的总进风量 1 6 5 0 0 IT I ／ mi n ，总 回风量约 为1 7 5 0 0 m ／ ra i n ，通风机房水柱计读值 2 6 5 0 P a 。 地 面主要通风机房距离调度室 2 k m，通风机 运行工况风量 、负压和拖动 电动机三相的电流 、电 压功率等参数通过电量变送器处理后送入 P L C，通 下转第 6 8页 2 0 0 9 年第1 期 煤 炭 科 学 技 术 第3 7 卷 5 结 论 1 从深厚松散层井壁破裂 的治理 经验来 看 ， 井圈加 固 卸压槽 化学 注浆 脲醛类 是 目前 针对深厚松散层井壁破裂治理比较合理的方案 ；单 卸压槽方案优于双卸压槽方案 ，下部卸压槽卸压效 果不明显 ；化学类浆液优于水泥类浆液。 2 卸压槽 的使用期限为 3～6年 ，卸压槽压 缩量达到设计值后应当及时更换。 3 使用 化学浆液 不仅堵水 防渗效 果 比较 明 显 ，而且能更有效地减小卸压槽的压缩速率 。 参考文献 [ 2 ] [ 3 ] 李文平 ，于双忠 ．深 厚表土 中煤 矿 立井非采 动破裂 的研 究 [ J ] ．工程地质学报，1 9 9 5 1 ． 黄定华 ．I临涣矿 区地表沉 降对井壁破 裂的影 响 [ J ] ．煤炭 科学技术 ，1 9 9 1 7 ． 陆孝军 ．立井 井壁破 裂 的原 因分析[ J ] ． 煤炭科 学 技术 ， 1 9 9 4 1 2 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，为矿井主要通风机运行工况网络化监测提供 了可靠 的方法和技术途径。 2 基于 P L C的主要通风机在线监测系统的研 制 ，解决 了传统 的单片机数据采集 、处理信号不稳 定和网络数据传输中的问题 ，实现 了主要通风机在 线监测系统与矿井监测监控系统的顺利衔接 ，其具 有运行稳定 、数据准确可靠等优点 ，对提高矿井主 要通风机 日常管理水平具有重要的指导价值。 3 主要通风机 网络化在线监测系统实现了矿 68 井含尘 、潮湿 、气流脉动的恶劣通风环境下 的在线 监测 ，为 日常矿井外部漏风率 的测算和矿井主要通 风机性鉴定提供科学可靠 、简单快捷的手段 ，也为 矿井通风生产能力的核定 、通风系统调整优化和矿 井主要通风机的安全经济运行提供直接可靠的基础 数据 。 参考文献 卢平 ，刘泽功 ，张 国机 ．G AF主要通风机 风量测试 方法 实验研究 [ J ] ．淮南矿业学院学报，1 9 9 8 3 ． 徐海 ．主要通风机在线监测系统的设计 与应用[ J ] ．矿 I I I 机械 ， 2 0 0 7 1 1 ． 张国枢 ．通风安 全学 [ M] ．徐 州中 国矿 业大 学 出版社 ， 2 0 0 0． 童秉纲 ， L 祥 言 ，邓 国华 ．气体动力学 [ M] ．北京 高等 教育出版社 ，1 9 9 6 ． 周立功 ． AR M嵌入式系统软件 开发实例 [ M] ．北 京 北京 航空航天大学出版社 ，2 0 0 4 ． 周立功 ． A R 嵌入式系统基 础教程[ M] ．北京 北 京航空 航天大学出版社 ，2 0 0 5 ． 作者 简介 卢 平 1 9 6 6一 ，男 ，安徽 庐江 人 ，博 士 ，教 授 ，主要研 究方 向为安全技术及工程。Em a i l p l u u s t e ． e d u ． c n 收稿 日期2 0 0 8 0 9 0 5 ；责任 编辑 赵 瑞