主扇风机在线监控技术方案

太原煤气化公司东河煤矿

主通风机在线监控系统应用

研

究

报

告

二o—一年十月十日1、概述

通风机在线监测系统是依据国家标准《工业通风机用标准化风道进行性能试验》 GB/T1236-2000和煤炭行业标准《煤矿用主要通风机现场性能参数测定方法》MT 421- 2004的要求，结合煤矿安全生产的实际情况而研制的新一代矿用主通风机在线监测系 统。它利用高性能PLC构成前端数据釆集和处理单元，以稳定、可幕、精确的方式将 采集数据传送给主控制计算机，主控制计算机对采集数据进行分析计算并显示存储， 从而对通风机的运行状态进行连续的在线监测，为通风机的安全、高效运行提供科学 依据。

风机是矿井要害设备之一，风机的实时运行数据需要纳入全矿井自动化系统，传 统的设备无法与矿井自动化系统交换数据，只要依赖于计算机网络技术，才可以将风 机运行的实时信息数据传送给矿调度室，并将其运行数据并入全矿井数据库以供整体 分析决策使用。所以，在线监测是实现全矿井自动化的必须设备。

通风机微机监测系统是应用于大型通风机流量监测方法的装置；系统以国家标 准”通风机空气动力性能试验方法”和煤炭行业标准”煤矿用主要通风机现场性能参 数测定方法”为依据，应用工业计算机检测技术和独特的专有研究成果对矿用大型通 风机的运行状态进行连续在线测量与处理，以多种方式提供通风机运行状态的各种数 据，保障通风机的安全运行和方便通风机的性能测试，并为多种功能扩充提供方便的 条件。

在线测量与处理的风机运行参数包括：风量、负压、静压、动压、全压、风速、 瓦斯；风机振幅；电机电压、电流、功率因数、轴功率、转速、轴承温度、定子绕组 温度、电能损耗、正反转、效率等；电源配电柜母线电压、电流；根据运行情况可实 时输出各种特性曲线。数据传输模式兼容满足国际标准的多种数交换形式，FTP、局 域网IE数据服务与广域网IE数据服务功能，可与全矿井自动化系统实现灵活便捷的 数据联网，将风机的实时运行参数传输到矿总调度室，满足自动管理的需求。通风机 微机监测系统能够在生产过程中随时掌握通风设备的运行状态，改变了传统的设备管 理方式，提高了通风设备的自动化管理水平，有力地保证了通风机设备的经济、可靠 运行，为设备的管理和维修提供了可靠的科学依据，深受用户欢迎。

矿井主通风机智能监控方案及系统设计

摘要：矿山机械设备的故障类型非常繁杂，当不少设备存在共性问题，破碎、掘进类设备容易出现轴承磨损、液压油升温、配套元器件损坏等情况，运输类机械、液压支架系统、通风除尘类机械的故障类型也各有差异。矿山开采企业应制定科学的操作规范、定期或不定期的检修保养设备，每天开展例行检查，确保及时发现隐患。本文主要分析矿井主通风机智能监控方案及系统设计。

关键词：主通风机；智能监控；变频控制

引言

主通风机是矿井通风系统的核心，直接决定了井下工作人员的作业安全性，由于井下综采作业的不同阶段对风量和风压的要求不一样，因此需要根据井下实际情况对主通风机的风量和风压进行调节。在传统的控制系统中主要是利用节流阀或者安装风门的方式来进行控制，该控制方案虽然结构简单，但只能改变进入到巷道内的风量，无法从源头上对风机的运行状态进行调整，风机一直处在高速运行中，电能消耗大，风量、风压的调节精度差。

1、监控系统整体框架

基于PLC控制器设计的通风机监控系统整体框架结构图。由图可知，整个监控系统可以划分成为三大部分，分别为终端设备层、调度层以及传输层。终端设备层也可称之为现场层，主要由各类传感器、变频器、电机、通风机、控制柜等部分构成，关键位置还设置有监控视频，最主要的作用是对通风机的现场运行状态进行数据信息采集。另外，终端设备层还需要执行调度层下达的控制指令。调度层是监控系统的中枢，主要包括上位机、网络服务器、打印机以及监控大屏等。主要作用是对井下通风机的运行状态进行实时监视，对数据进行存储，也可对历史数据进行调取查询，更重要的是可以结合实际情况对井下通风机实现远程控制。传输层是调度层和终端设备层之间的连接桥梁，主要由传输线缆、网络设备以及协议转换设备构成。设备层采集获得的数据信息需要通过工业以太网上传至调度层的上位机，上位机下达的控制指令同样需要基于该网络传达到设备终端执行。

2、监控系统的硬件设备选型

扇风机远程控制与在线监控技术规格书

一、扇风机监控系统技术性能

扇风机房作为重要的生产部门，应能实现基于工业以太网络的监测、控制和管理系统，扇风机房应采用计算机监控系统。

系统采集的数据来源包括：扇风机、风门、电动机、变频器、自动旁路柜、高压开关设备等。由于扇风机具有不间断（连续）运行的特点，其在矿井中的地位特别重要，应满足以下要求：

1、扇风机控制：采用高可靠性能的西门子S7-300系列可编程序控制器（PLC），对扇风机、开关柜、变频器、旁路柜及风门等进行状态监控、就地控制和远程操作。

PLC配置有以态网通讯模板，能通过工业以态网通讯协议，与上位监控计算机和矿井调度中心计算机联网，上传扇风机监控参数，并能支持远程编程和远程诊断。PLC程控功能包括：扇风机的启停、倒换等顺序控制功能和扇风机故障报警与处理功能。具体要求和实现方式，以监测监控系统厂家、电控厂家与变频厂家的衔接为准，具备远程操作功能和无人值守的条件。

2、操作监控计算机应实现如下监控功能：对风量、风压；电机轴承及定子温度、轴承振动；电压、频率、电流及功率等模拟量参数监测；对风门、开关柜、变频器、旁路柜的运行及故障等开关量状态进行监测；对风门的开闭、开关柜的分合闸及变频器起停及调频进行控制。监控组态软件实现动画模拟、扇风机运行工况显示、监测数据显示、存储、打印，重要参数的实时曲线及历史曲线显示、开关柜一

次图模拟及控制操作、建立操作权限机制及实现报警及记录等功能，并具有较为完善的帮助系统，指导操作人员正确使用监控系统，具体功能如下：

1）扇风系统监控画面生成。（如扇风机模拟运行状态、运行工况点、风量动态曲线、负压动态曲线、电机电流动态曲线、电机和轴承温度动态曲线、风机变频器及旁路柜动态参数、风门位置显示等）。

图形显示的主要内容有：

（1）扇风机运行模拟图形；

（2）单台扇风机监测图形；

（3）高压供电及控制系统图；

（4）变频器、旁路柜及控制系统图；

风机加装在线监测装置技术方案

基于模型的设备状态监测诊断系统MCM介绍

1．MCM技术背景

基于模型的状态监测诊断核心专利技术源于二十世纪八九十年代期间美国NASA科技项目的研究成果，最先应用于航天飞机主发动机，直升飞机发动机和气体透平。在2000年，应用了这一科技成果的MCM 电动机状态监测器被美国《控制工程》杂志评为40个最好的产品之一并获奖。

MCM 电动机状态监测器应用于三相系统的预测维修，包括电动机、发电机、变压器以及它们驱动的设备或过程。MCM 只通过连续在线监测电压和电流信号，就可检测潜在的机械和电气失效，提供日益恶化的机器和过程状态的早期警告，同时提供诊断结论信息。因此，MCM 具有维修日程计划的能力，能够预防非计划停机和提供设备利用率。

2．MCM基于模型的监测诊断原理

基于模型的故障检测和诊断技术与振动和电流特征分析在基本原理上有着根本的不同。这个技术将电动机、被驱动设备和过程作为一个系统对象，三相电压作为系统输入，三相电流作为系统输出。MCM采集和处理实时电压电流信号，利用系统识别的方法计算出系统动态行为和模型参数，模型参数作为被监测的状态参数，其变化将指示系统的异常状态发生。

MCM方法的主要原理是将机器或过程的数学模型的动态行为与测量的动态行为相比较，如图1 所示。

图1 数学模型与实际系统的比较

图中，u(n) 是对数学模型和实际基于电动机的系统的输入电压，它是测量的电压。y(n) 对应基于电动机的系统的输出，它对应测量的电流。v(n),是由模型计算出的电流。y(n)-v(n) 是测量的和计算出的电流的差。模型由一组微分方程式组成，描述电动机的电动机械行为。从系统中采集的实时数据用系统识别算法进行处理，计算模型参数。驱动机械或过程的电动机被当作一个传感器，电动机以及基于电动机的系统发生的故障，或影响系统运行的异常状态，也影响模型参数。

MCM 首先通过采集和处理电动机数据学习基于电动机的系统一段时间，确定三相系统在各种变化条件（如负荷）下的动态行为（模型），处理数据的结果被存储在数据库中，建立一个参考模型，这个参考模型基本上由模型参数、它们的均值及其标准方差组成。当进行正常监测时，MCM 处理采集的电动机数据，将测量的系统动态行为结果数据与存储在内部数据库中的数据比较，如果从采集的数据得到的结果与参考模型差别较大，MCM 指示一个故障等级，等级是由差别的幅值和持续时间确定的。