俄霍布拉克煤矿主通风机在线监测监控系统的研究与应用
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【摘 要】本文针对俄霍布拉克煤矿主通风机采用传统分散式控制，缺少有效监测监控手段，运行不可靠、造成值守人员多、操作量大、效率低下问题，重新选择了新型主通风机在线监测监控系统，并对系统软硬件、功能特点、操作使用方面进行阐述。通过应用该系统，工作人员能随时掌握主通风机的运行状态，及时对设备故障进行分析判断处理，系统运行稳定，提高了主通风机的安全可靠性，减少值守人员数量和操作量，提高整体运行效率，值得推广应用。
0 概述
矿井主通风机是向井下送风的重要设备，属矿井一类负荷，大型耗能设备，对其实现在线监测监控使之始终运行在良好状态，对保证矿井安全生产，降低能耗、提高效率具有重要意义。主通风机在线监测监控是对主通风机工作状态进行连续监测与控制，由监控上位机及软件系统，监控台，风机、电机运行参数传感器等组成，运用多种远程数据传输模式，具有风机运行的实时现场监控、风机停运报警、风机远程监控等功能，从而实现主通风机的无人值守、在线测控。
1 额霍布拉克煤矿主通风机状况
额霍布拉克煤矿（简称俄矿）是徐矿集团早期援疆项目，目前产能为500万t/a，矿井主通风机为轴流通风机，由沈鼓集团生产，型号：MAF-2375/1250 ，主要参数：电压6kV，功率450kW， 串电抗器启动，稀油站强制，反转反风法，单级叶轮，全压效率前期81.5%，具有调节风门。
缺点：（1）机房设备分布分散，相距较远，每个点设备都需要岗位工来回现场操作，不方便，客观造成值守人员多，劳动生产率低；（2）检测手段不完善，缺少运行状态在线自动监测手段，故障检测不及时，一旦出现问题靠运行或维修人员到现场凭经验判断故障点，故障处理时间长，影响安全生产。系统整体可靠性差，改造势在必行。
2 俄矿主通风机监测监控系统
为改变主通风机就地操作、分散控制、无在线检测的弊端，经考察研究分析，俄矿与江阴江陵科技公司合作开发了一套风机监测监控系统，并成功应用。系统由PLC 测控系统、上位机、冗余组态软件、传感器系统等部分组成，实现风机运行参数和数据的实时监测、将风机主辅设备控制的一体化整合，监测内容丰富、控制功能完善，达到风机安全可靠运行目的。系统结构如图1所示。
图1 风机监控系统结构示意图
3 系统组成
计算机监控系统主要由PLC控制柜、工控机操作台、计算机硬件系统、网络通讯系统、组态编程软件系统、外部传感器采集系统构成。
（1）硬件系统。硬件系统由PLC控制柜、工控机、以太网。PLC控制柜内装有一套德国西门子S7-300 PLC控制系统，用以监控风机的运行状态及各种过程参数变量，操作台选用华北工控公司的工控机，其抗干扰性达到IEC标准，两者间的通讯方式以太网网络，通讯速率较快，而且可扩充性好，从而保证了本系统的信息的实时快速、稳定安全要求。
（2）软件系统。操作员站及工程师站的软件系统中，如下操作软件及监控软件：系统软件： Windows XP操作系统；开发软件：SIEMENS公司的WINCC V6.0软件；编程软件：SIEMENS公司的STEP7 V5.4。系统主要用来接受处理和存储显示PLC上传的各种数据；动画显示设备的运行状态、监视工作流程、实时显示各类监测数据；自动绘制实时、历史曲线，自动生成各种数据报表；记录并对越级数据报警、存储；设置系统操作控制权限、？支持远程网络浏览等任务。
（3）传感器系统。采集各个设备单元的现场数据并转换成电信号送PLC处理。电流、电压变换器，温度铂热电阻、压力、振动传感器，喘振保护，风速、流量传感器等采集单元。
4 监控系统的主要功能
系统综合利用了传感技术、自动控制技术、计算机、网络通信技术，主要功能较为完善。
4.1 风机启动时监测与控制
启动前系统监测以下4个参数：（1）稀油站的油温；（2）稀油站的油压；（3）制动器的状态；（4）风门的状态。开关柜总闸合闸后，将稀油站的油温、油压、制动器的当前状态，风门的当前状态，通过采集系统，送至PLC处理，并在触摸屏显示，如显示全部正常状态，风机才可启动。当四个条件中其中一个不能满足启动要求时，则风机拒绝启动，在工控机的触摸屏显示及报警，并提出解决方案。
4.2 风机运行状态的检测与控制
4.2.1 风机运行过程中温度监测
风机系统温度检测部位：
（1）风机轴伸端的，非轴伸端温度的检测与控制；
（2）电机轴伸端的温度，非轴伸端温度的检测与控制；
（3）电机A、B、C三相绕组温度检测与控制。
在风机运行时，温度采集器监测到风机轴伸端（非轴伸端），电机轴伸端（非轴伸端），电机A、B、C三相绕组温度升高到报警时，PLC系统接收到温度采集器传来的信号并处理，输出接点，开始电铃报警，并在工控机实时显示当前状态并发出警告，但风机继续运行，当温度采集器检测到温度继续升高且达到极限报警温度，PLC输出接点并开始电笛报警，并在工控机实时显示当前状态且发出严重警告，风机继续运行，当检测温度达到跳闸温度，PLC输出接点到高压控制柜跳闸停机，且在工控机触摸屏显示，并保存该故障记录。
4.2.2 风机喘振监测
当风机喘振保护器发出喘振信号，通过PLC处理，输出报警跳闸，使高压控制柜跳闸停机，在工控机触摸屏上显示并保存故障记录。
4.2.3 稀油站油温（油压）检测
当稀油站温度（压力）采集器检测到温度（压力）升高并达到报警时，PLC系统接收并处理，输出报警、跳闸接点，在工控机触摸屏上显示并保存。
4.2.4 制动器状态的检测与控制
通过行程开关检测出制动器当前状态，并在风机停机时，通过PLC运算，控制抱闸，在工控机触摸屏上显示并保存。
4.2.5 风门的状态检测
通过行程开关检测风门的当前开关以及到位与否状态，在工控机上显示并保存。
4.2.6 风机流量、负压检测与监控
实时监测的风机风压（静压、全压），风速、风量，风硐的大气参数（温度湿度、大气压力）等参数通过分散采集系统，经PLC处理后，直接在工控机触摸屏显示。
4.2.7 风机振动监测
在主通风机旋转部件上安设振动传感器监测轴承和机体振动。水平和垂直的振动速度传感器分别装在风机转子水平和垂直的轴线上，采集振动速度信号，该信号通过振动变送器转换成4-20mA的电流信号给工控机，通过振动分析软件了解主通风机旋转部件实时的运转情况，及时掌握主通风机主轴承等平时不易检查到的设备运转情况。
4.3 风机网络化管理
所有风机工作状态在工控机上实时监控，并通过以太网传送到总调度室服务器同步显示，操作权限控制，达到自上而下的智能化管理。
4.4 风机的自动切换
当主风机在运行过程中，由于故障而引起风机控制柜跳闸，通过PLC系统PROFIBUS通讯自动切换到备用风机马上启动，从而保障生产安全。风机可强制性手动控制，如由于PLC硬件本身在运行过程中出现故障，可采用手动应急按钮直接启动高压控制柜启动风机。
4.5 视频监视
机房的需要监控地点安装摄像头，在风机房操作室内进行24h小时监视，或通过网络视频服务器在控制中心实现24h远程监视。
5 系统监控画面
风机的逻辑控制分为启动，报警，联锁，停机四个部分。从便于操作的角度出发，本系统共设计了6组画面，包括风机系统监测界面、风机联锁控制界面、故障报警界面、发展趋势界面、数据记录界面、测点界面等。
5.1 风机系统监测界面
风机系统监测界面，如图2所示，系统开机运行WINCC监控软件，首先出现的是 “风机系统监测界面”，同时系统图按钮处于反灰状态，表示此按钮不可再点击。
图2 风机系统监测界面
此画面是风机系统工艺流程图，它描述了风机系统工作过程及周边设备及相关测量点及操作，具体测点分布如表1。
5.2 风机联锁控制界面
如图3所示，点击“系统图”中的联锁界面按钮，系统可进入此画面， 同时画面上的联锁界面按钮，处于反灰状态，表示此按钮不可再点击。
工作方式：当油总管供油压力正常，抱闸已松开，无故障停车信号，当以上条件同时满足时，主电机准备好，信号背景颜色为绿色，则给高压电控发出一个PLC仪控系统允许起动的信号，之后，风机操作人员按下操作台上的合闸按钮，风机就正常起动了，经过n秒后，风机处于正常工作状态。若有特殊情况，可按下操作台表面的停车按钮，停机。
表1 风机各测量点分布表
图3 风机联锁控制界面
启停条件：系统起机应保证在最低负荷下启机，即要满足PLC系统设定的启机条件。停机：分为正常停机，故障停机和干扰停机三种方式。正常停机由操作员手动停机，故障停机是控制程序按照预置的停机联锁设定值动作停机，而干扰停机则是由于仪表故障，信号干扰等偶然因素，而引起的停机。
5.3 PLC系统报警记录界面
如图4所示，点击”系统图”中的报警记录按钮，系统可进入此画面，同时报警记录按钮处于反灰状态，表示此按钮不可再点击。
图4 报警记录界面
在系统运行时，通常有些变量发生高高、低低、高、低报警的信号，当信号发生时，在此画面中会出现相应报警文本提示，发生的时间，日期等，同时在PLC控制盘上蜂鸣器会发出鸣叫声，信号灯会不停的闪烁，提示现场操作人员产生报警并采取相应措施。
报警汇总可以最大列出1000个报警。当新的报警发生时，将会记录在报警汇总的最下端。在报警表已满的情况下，新的报警资料会将最后一个报警资料挤出报警表，被挤出的报警将在内存中删除。当报警被确认或解除时，该报警也会被挤出报警表，在内存中删除。
5.4 趋势界面
如图5所示，点击”系统图”中的趋势界面按钮，系统可进入此画面， 同时趋势界面按钮处于反灰状态，表示此按钮不可再点击。
在“趋势画面”中可以显示模拟量输入值的变化曲线，轴承温度，定子温度、振动等变量随时间变化的曲线，通过这些曲线，操作员可以查找过去或现在任何一个时刻的数据值。
图5 运行趋势界面
5.5 测点清单界面
如图6所示，点击”系统图”中的测点清单按钮，系统可进入此画面， 同时测点清单按钮处于反灰状态，表示此按钮不可再点击。
在测点清单画面中，列出了有关风机系统的各种检测参数的当前值、量程上下限、报警设定值。本系统测点清单画面中详细列出了现场及设备各部件所要检测的过程值，如压力、温度、抱闸开度反馈等。
图6 测点清单界面
5.6 历史记录界面
如图7所示，点击”系统图”中的数据记录按钮，系统可进入此画面，同时数据记录按钮处于反灰状态，表示此按钮不可再点击。
此画面可将机组运行时各测点的检测数值以设定的采集时间集中显示，以方便用户在需要时观察某一时间段的数值，比较参数变化情况。
图7 历史记录界面
5.7 登录、退出登录界面
如图8所示，登录、退出登录画面时操作员需要对风机、油泵的系统设置等进行操作时，必须先登录，输入用户名和密码，不同的用户名有着不同的权限。操作完成后退出登录，以防止误操作的发生。
图8 登录退出界面
6 使用效果及结论
俄霍布拉克煤矿主通风机在线监测监控系统采用多种远程数据传输模式，具有风机运行的现场实时监控、风机停运报警、风机远程监控、场所视频监控等功能，信息化与自动化融合，实现风机系统的无人值守在线监控。通过该系统，工作人员能随时掌握主通风机的运行状态，及时对设备故障进行分析判断处理，系统自2012年投入运行以来，运行稳定，杜绝了风机无计划停机事故，安全可靠，减少值守人员数量和劳动量，提高运行效率，为数字化矿山建设奠定基础，值得推广应用。