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第 42 卷第 3 期能 源 与 环 保 Vol. 42 No. 3 2020 年3 月 China Energy and Environmental ProtectionM ar. 2020 收稿日期 2019 － 12 － 01； 责任编辑 陈朋磊 DOI 10. 19389 ／ j. cnki. 1003 － 0506. 2020. 03. 028 作者简介 崔争气（ 1985） ， 男， 内蒙古鄂尔多斯人， 工程师， 2011 年毕业于东北电力大学， 现从事机电管理工作。 引用格式 崔争气. 煤矿通风机智能监控系统设计［ J］ . 能源与环保， 2020， 42（ 3） 128- 131. Cui Zhengqi. Design of intelligent monitoring system for coal mine fan［ J］ . China Energy and Environmental Protection， 2020， 42（ 3） 128- 131. 煤矿通风机智能监控系统设计 崔争气 （ 内蒙古鄂尔多斯永煤矿业投资有限公司， 内蒙古 鄂尔多斯 017000） 摘要 为了促进矿井的安全通风， 以 FBCDZNo. 22／ 250 2 通风机为例， 根据煤矿通风机智能监控系统 设计的要求， 设计了煤矿通风机智能监控系统的整体拓扑结构， 主要包括监控管理级、 基础控制级和 现场测量级， 并分析了系统主要功能， 研究了通风机 PLC 控制系统、 ABB 变频器、 关键参数监测等硬 件部分， 分析了通风机监控系统程序设计、 系统子程序等软件设计。 关键词 煤矿通风机； 智能监控； 监控管理级； 基础控制级； 现场测量级； 硬件部分； 软件设计 中图分类号 TD76； TD441 文献标志码 A 文章编号 1003 － 0506（ 2020） 03 － 0128 － 04 Design of intelligent monitoring system for coal mine fan Cui Zhengqi （ Inner M ongolia Erdos Yongchen Coal Investment Co. ， Ltd. ， Erdos 017000， China） Abstract In order to promote safe ventilation of mines， taking FBCDZNo. 22／ 250 2 ventilator as an example. According to design re- quirements of mine ventilator intelligent monitoring system， the overall topology structure of mine ventilator intelligent monitoring system was designed， mainly including monitoring management level， basic control level and field measurement level， to analyze main functions of system， to study hardware of fan PLC control system， ABB frequency converter， key parameter monitoring and so on， and to analyze software design of fan monitoring system program design， system subprogram and so on. Keywords coal mine fan； intelligent monitoring； monitoring management level； basic control level； field measurement level； hardware part； software design 0 引言 矿井安全通风是煤矿安全生产的前提， 煤矿通 风机是矿井的核心设备， 担负着运送新鲜风流和排 尘、 排有害气体的重任， 直接影响着矿井的安全和社 会经济效益［ 1- 4］。据统计， 煤矿企业的事故大多是由 通风系统事故和人员操作不当造成的。为此， 提高 通风机的可靠性以及人员的专业技能， 是确保矿井 安全通风的保证。本文以 FBCDZNo. 22／ 250 2 通 风机为例， 分析了煤矿通风机智能监控系统设计， 为 矿井通风机智能监控系统的建立提供了理论支持。 1 煤矿通风机概述 煤矿通风机采用矿用防爆抽出式 FBCDZ 系列的 对旋轴流式通风机FBCDZNo. 22／ 250 2， 其中F 为通 风机， B 为防爆， C 为抽出式， D 为对旋， Z 为主要通风 机， No. 22 表示叶轮直径为22 dm， 250 2 表示通风机 的装机功率为 250 kW 2。FBCDZNo. 22／ 250 2 通 风机的技术参数见表 1。 表 1 FBCDZNo. 22／ 250 2 通风机的技术参数 Tab. 1 Technical parameters of FBCDZNo. 22／ 250 2 fan 参数数值 风压／ Pa1 620 ～ 4 350 装机功率／ kW250 2 叶轮直径／ dm22 参数数值 风量／ （ m3s－ 1）65 ～ 122 配套电机型号YBF2- 355L2- 6 主轴转速／ （ rmin－ 1）980 2 智能监控系统的总体设计 2. 1 设计要求 煤矿通风机智能监控系统设计的要求 ①能够 实现电机、 通风机、 变频器运行参数的实时控制和监 821 万方数据 2020 年第 3 期崔争气 煤矿通风机智能监控系统设计 第 42 卷 测； ②能够生成上位机监控画面， 对所有设备的运行 状态进行智能监控， 并且具有数据查询、 报警系统和 报表系统等功能； ③能够控制通风机全部高、 低压开 关柜分合闸以及变频器， 可以对电机绕组温度进行 监测； ④可以实现系统接入局域网， 对系统进行远程 和实时监控； ⑤具有启停控制通风机的要求， 能够实 现远程、 就地、 自动、 手动控制通风机。 2. 2 总体设计 系统采用“ 分散式控制， 集中式管理” 模式， 系 统的总体构架有 3 部分 监控管理级、 基础控制级和 现场测量级。煤矿通风机智能监控系统的整体拓扑 结构如图 1 所示。 上位机打印机 以太网 数据库保存数据 查询、报表、统计 PLC RS－485总线／Modbus协议 1号2号3号4号 变频器 1号2号1号2号 温度巡检仪器电量模块 模拟量采集 温度传感器瓦斯传感器 图 1 煤矿通风机智能监控系统的整体拓扑结构 Fig. 1 Overall topological structure of intelligent monitoring system of coal mine fan （ 1） 监控管理级。主要由力控组态软件和工控 机组成， 能够实现和 PLC 的数据交换， 从而实现数 据的接收、 显示、 存储， 报表打印、 曲线显示等控制和 信息管理工作。 （ 2） 基础控制级。主要由以太网、 模拟量扩展 模块和 PLC 组成， 采用程序算法， 实现了数据的处 理和分析、 关键参数的采集、 通风机系统的智能监 控。 （ 3） 现场测量级。主要由各类传感器、 电量采 集模块、 温度巡检仪和变频器构成， 能够实现通风机 的变频控制以及通风机风速、 风量、 负压等主要参数 的监测。 2. 3 系统主要功能 （ 1） 具有本地和远程控制的功能， 并可以实现 自由切换， 可以实现在上位机上对通风机的关键参 数的打印和存储以及系统状态的分析。 （ 2） 实现了对供电参数（ 供电电源的温度、 功率 因数、 电流和三相电压） 的智能监控， 并且可以按照 相关要求实现开关的自由控制。 （ 3） 实现了对通风机关键参数的智能监控。风 机关键参数主要包括通风机管道中的瓦斯浓度、 压 力、 负压和风速等参数， 定子三相绕组的振动、 温度、 功率因数、 电流和电压等。 （ 4） 实现了通风机故障诊断和报警的功能。 （ 5） 实现了通风机的变频控制功能， 主要包括 反风操作、 风机转速的连续可调、 停机控制以及变频 器的启动， 并且针对变频器的故障具有预警功能。 3 系统的硬件设计 3. 1 通风机 PLC 控制系统 通风机智能监控系统中的 PLC 应具有适应性 强、 可靠性高等特点， 能够适应矿井恶劣、 复杂的环 境［ 5- 7］。本 文 主 要 采 用 SIM ATIC S7- 200 系 列 的 PLC， 该设备具有输入输出接口多样、 体积小、 功耗 低、 可靠性强、 灵敏度高等特点。SIM ATIC S7- 200 系列的 PLC 的基本组成如图 2 所示。 状态显示 存储卡 通信端口 输出端子及电源 扩展I／O口 输出端子、 传感器电源 图 2 SIMATIC S7- 200 系列的 PLC 的基本组成 Fig. 2 Basic components of PLC of SIMATIC S7- 200 series PLC 控制系统主要由以太网模块、 数字量输出 模块、 数字量输入模块和 CPU 模块组成［ 8- 10］， 本文 采用 CPU 266CN AC／ DC／ RLY 型号 CPU， 该 CPU 模 块主要参数见表 2。 表 2 CPU 模块主要参数 Tab. 2 Main parameters of CPU module 项目具体参数 接口2 个 RS- 485 数字量输入24 输入 数字量输出16 输出 CPU 模块型号 CPU226CNAC／ DC／ RLY 921 万方数据 2020 年第 3 期 能 源 与 环 保第 42 卷 3. 2 ABB 变频器 本文采用 ACS800- 04P 型号变频器， 该变频器 主要由控制系统、 逆变部分、 储能部分和整流部分组 成， ABB 变频器组成原理框图如图 3 所示。 M整流部分储能环节逆变部分 交流直流直流交流 控制系统 图 3 ABB 变频器组成原理框图 Fig. 3 Principle block diagram of ABB frequency converter 3. 3 关键参数监测 关键参数监控主要分为 2 部分 ①供电系统， 功 率、 电流和电压； ②风机系统， 风机电动机温度、 风 量、 瓦斯浓度、 全压、 静压、 振动等参数。根据该系统 功能主要选择测量装置、 变送器和传感器等设备， 从 而提高系统的准确性和误差。 关键参数监测主要有模拟量智能采集仪， 电量、 温度采集仪， 风速、 瓦斯浓度、 温度、 压力、 振动传感 器及相应变送器来实现。 4 系统软件设计 4. 1 通风机监控系统程序设计 本文采用“ 结构化编程” 的方法对通风机监控 系统程序进行了编写， 为了实现整个矿井主通风系 统的控制和监测， 将整个系统划分为若干个子系统， 由各个子系统控制和监测具体设备按照一定逻辑对 各个子系统进行调用。通风机控制系统程序设计流 程如图 4 所示， 其中该 2 台通风机的控制方式为自 动控制和手动控制。 4. 2 系统子程序 系统子程序主要包括供电系统控制子程序、 主 通风机控制子程序、 模拟量采集程序、 PID 调节设 计、 风量 PID 调节流程、 风量 PID 调节子程序等， 其 中， 风量 PID 调节流程如图 5 所示。 当对风量进行调节时， 首先对设定风量值和风 量反馈值进行读取， 然后对偏差值进行计算， 最后， 采用 PID 控制算法， 得出需要的风量。 5 结论 根据通风机的技术参数， 对煤矿通风机智能监 开始 控制系统初始化 工作方式选择 手动 自动 1号风机启动 N Y 风门控制 按照人工控制流程 进行手动控制（矿 井发生灾变事故时 采用手动控制） 单级 单双级模式选择 双级 启动1号变频器 启动1号、2号变频器 2号备用风机 自动控制流程 2号风机参数监测 频率给定 故障复位 Y 变频器故障 N 风机变频运行 1号风机参数监测 上下位机数据交互 1号风机故障 风机正」连续运行 Y N 上下位机数据交互 图 4 风机控制系统程序设计流程 Fig. 4 Program design flow of fan control system 开始 读取设定风量 （）r t 读取风量反馈值 （） yt 计算偏差值 （） et PID计算,得出 （） ut 风量输出 返回 图 5 风量 PID 调节流程 Fig. 5 Regulation process of air volume PID 控系统的整体拓扑结构进行设计， 然后分析了系统 硬件设计和软件设计。该系统提高了通风效率， 优 化了矿井通风系统。 031 万方数据 2020 年第 3 期崔争气 煤矿通风机智能监控系统设计 第 42 卷 参考文献（ References） ［ 1］ 吴新忠， 任子晖， 马小平， 等. 煤矿主要通风机在线监控系统研 究现状及展望［ J］ . 煤炭科学技术， 2009， 37（ 12） 54- 57. 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