煤礦主扇風機監測系統軟件平臺設計

許鵬，王先宏，楊正華

（1.北京工業職業技術學院 機電工程學院，北京，100042；2.中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南株洲，412001）

0 引言

煤礦主扇風機運行具有設備多且分散，監測參數多，監控難度大等特點。風機的安全穩定運行，是保證煤礦生產作業人員安全的重要前提，提早預防和處理風機在運行過程中的各種故障，進行系統的在線監控和診斷是煤礦安全生產信息化、自動化的必然要求[1]。

目前我國還有許多傳統型舊式煤礦，主扇風機的運行仍然采用人工或分散監測的運行管理方式，無法實現集中化管理，可靠性和效率偏低，導致系統出現故障的概率增大。而對于大型礦用軸流式風機來說，喘振問題也是風機安全穩定運行一個重要方面，應該在監測系統中加入該模塊功能。綜上所述，無論從安全還是從管理角度，構建主扇風機監測管理平臺，確保系統安全穩定高效運行，減少重大事故的發生，都是十分必要的。

本系統針對煤礦信息化改造的實際需求，利用高性能的前端數據采集和處理單元，以穩定、可靠、精確的軟件系統將采集的數據發送給工控主機進行分析、計算，并顯示存儲，從而對風機的運行狀態集中進行在線監測，為風機的安全、高效運行提供實時的數據支撐。

1 監測系統總體設計方案

主機選用研華IPC-510系列工控機，采用組態王軟件對監測平臺進行開發。如圖1總體設計框圖所示，各項監測用傳感裝置的供電、數據變送單元安裝在控制柜內。通信接口通過集線器與工控主機串口通信。軟硬件設計均采用分層模塊化開發形式，每個設計層級均可快速顯示現場數據和生成歷史數據圖形，提高了整個系統的可靠性和穩定性，更方便現場操作人員使用和維護。

圖1 系統總體設計方案結構框圖

設備數據采集單元采用多通道并行數據采集方案，每個采集通道采用獨立的AD轉換器，可設置不同毫秒等級的數據采集間隔時間，減少信號干擾，完成精確的實時采集任務[2]。

2 功能模塊的設計

2.1 電機溫度的監測模塊

電機溫度監測系統分為一主一備用雙冗余系統，每套排風機系統均包含送、引兩臺電機。監測硬件選用KCM-XJ 系列16路溫度巡檢儀。溫度傳感器采用PT00三線制熱電阻。熱電阻單元分別安裝于每臺風機的A、C兩相定子以及前軸、后軸等四處，共16個點，實時監測各個點位溫度數值。

溫巡儀與上位機的通信可選擇AD變送器模塊或直接選擇帶485通訊功能模塊的單元，將其與上位機串口對應位相連接。這里為了減小通信信號傳輸干擾和煤安防爆要求，選用專用屏蔽雙絞線進行連接、敷設。

2.2 電參數監測單元設計

如圖2所示，系統三相電參數主要包括每臺風機的系統電壓、運行電流、運行頻率以及運行功率[3]。這些電參數的監測原設計系統是通過EDA9033A互感A/D測量、轉換模塊中得到。后期系統可加裝具有485通信功能的G7型高壓變頻器設備，可在軟件系統中設置通信接口和數據后直接讀取并顯示變頻器的相關數據。

圖2 EDA9033A模塊接入系統測量電參數原理圖

監測的系統電壓U為三相線電壓的平均值。

2.3 振動數據的監測與報警模塊

振動的監測主要監測風機在一個振動周期內，振動速度瞬時值平方后平均值的平方根[4]，其數學表達式為：

Vrms—振動速度有效值的方均根值，單位(mm/s)；T—振動周期；

V(t)—隨時間t變化的振動速度函數，單位(mm/s);

振動監測一般分為剛性支承和撓性支承兩種，采用有效值檢波特性的特殊一期進行測量[5]。根據通風機振動檢測及其限值的國標機械行業標準，對于剛性支承，Vrms≤4.6mm/s；對于撓性支承Vrms≤7.1mm/s。由于本系統應用現場風機直接與剛性底座基礎緊固連接，故采用剛性支承作為振動報警閾值。傳感檢測裝置分兩組分別外裝于各通風機水平、垂直中心線方向[6]。

振動監測硬件選用TXY9200系列防水振動傳感器，輸出信號4-20mA電流信號，通過DAQM4206-A/D模數轉換模塊轉為485通信信號，與上位機進行串口通信。通信協議為標準的Modbus-RTU協議。

2.4 負壓、風量數據采集與實現

負壓監測是反應風機是否有良好的通風的重要數據指標。本系統采用高精度的3051單晶硅差壓變送器，輸出4-20mA電流信號，用于風道差壓監測。報警閾值設為2k pa。

風量采用由流量傳感器、差壓變送器以及流量計算儀等組成的一體化流量傳感器進行監測、計算。風量流量計算依據伯努利方程工作原理[7]：

其中，Q-氣體瞬時流量（m3/S）；Qmax-流量上限（m3/S）；?P- 測量差壓（Pa）；?Pmax- 差壓上限（Pa）；P1-設計壓力（Pa）；P0- 實際壓力（Pa）；PS-標準大氣壓（Pa）；T0- 設計溫度（K）；T1- 實際溫度（K）。

2.5 喘振預警線的設置

礦用通風機目前使用最廣泛的是氣體沿旋轉軸的方向流動的軸流式通風機。軸流風機分為單級和多級[8]。本文重要研究的是單級軸流風機喘振問題。由于這種通風機結構較復雜、可靠性與安全性較離心式風機較低。當風量由于外部原因發生阻塞，而風機葉片轉速并不減小的情況下，會在一些葉片尖端形成失速團，從而形成擾動阻塞以至于后來進入的氣流會發生無規則運動。如果這種失速現象加劇，失速團遍布整個葉片，那么風機運行狀況會急劇惡化，造成突變性失速，便會引起喘振的發生。喘振的氣流周期性流動，會對風機葉輪和軸承連接件產生巨大的沖力，直接威脅到礦井的通風系統的安全。

結合上述喘振成因分析，以及通過對單級軸流風機的相關試驗數據的分析，得如圖3在風機動葉不同開度角度和不同管網阻力情況下的風機性能曲線[9]。風機正常工作點位于正常管網阻力特性曲線Ⅰ與動葉5。時的性能曲線交點B。當管網的阻力特性發生變化，使阻力曲線上移至曲線Ⅱ，此時工作點將上移至C點，較B點風壓升高、流量減小。如果管網阻力進一步加大，則工作點將進一步上移，到達一個新工作點D。此后如果阻力還進一步加大，則會出現風機送風不足的情況，此時風壓P將低于D點的壓力，這樣風將從風機中倒回，風道中的壓頭將迅速下降。當風道壓力下降后，形成壓力差，風機又將恢復送風，壓力回升。當壓力再次高出風機所能提供的壓頭時，將往復循環上述過程，形成喘振。這里的D點就稱為該動葉角下喘振的臨界點。對不同動葉角度下的性能曲線進行分析和作圖便可得到不同的的臨界點，將臨界點連線便可得到圖3中最上邊緣的喘振臨界線。

通過上述分析能夠看出，當風機的運行點超過喘振的臨界線時，便有發生喘振的危險。所以理論上，圖中的上邊界線就是判斷系統是否會發生喘振的預警線。但實際情況下，如果實際運行工況達到這條邊界點附近，那么若發生喘振將基本無法挽回。所以一般要將邊界線下平移5%～10%的距離，作為預警線。當工作點進入預警區域及左上部分，系統軟硬件便可觸發報警。

從圖3中也可以看出，報警后，在一定范圍內調控風機的動葉角度，或者控制風機變頻調速提高管網出風量等，可以將工作點拽離預警線向右下方移動[10]。

圖3 風機喘振預警線分析示意圖

2.6 外置報警單元

建立系統內部變量作為中間檢測變量，根據不同的檢測物理量報警閾值需求，按控制要求設計合理的邏輯關系，并利用XHCK-4400串口繼電器和警報器來組成外置報警單元。也可以利用串口繼電器單元的多個輸出接口擴展多個外置報警單元，從而實現分區域報警指示功能。

3 調試運行

3.1 主監測系統的運行

風機監測軟件系統利用組態王軟件，采用分層級結構進行開發。主監測界面是一般工況環境下開機運行的顯示主界面。它包括溫度、振動、負壓、風量、報警指示、三相電參數等各項實時顯示數據和標識，并開發了風機運行指示、管道風量運動標識等動態顯示單元[11]。

下圖4為工作現場，1#主通風機正常運轉時，上述各部分數據的實時監測顯示界面。

在主界面下方分布有實時報警窗口，動態記錄當前最近的十條報警信息，及時提醒工作人員查看或采取相應措施。

3.2 風機溫度曲線的顯示

每個界面右上方設置如圖4所示六個功能選擇按鍵，用戶可以通過選擇“圖形監測”選項進入相應機組的歷史數據查詢、顯示界面。下圖為一號風機作為主設備運行時，某一時刻電機定子A相、C相繞組溫度，前后軸溫度監測的歷史數據曲線圖形。

圖4 主監測系統界面及現場運行數據

每項監測數據均可在“高級設置”里的“報警參數設置”界面在線進行報警閾值的修改、設置。與圖5電機溫度監測歷史圖形界面開發類似，其他各項數據的歷史圖形的開發也均采用圖5所示圖素單元表示，只不過各項數據縱軸范圍，要根據對應數據的合理值范圍進行設置。

圖5 1#1級電機現場運行的溫度監測曲線

3.3 報表與數據庫存儲

(1)風機運行的報表數據

系統報表作為監控系統按時間生產的生產情況日志形式進行設計、制作，主要包括了各風機地送、引風機在各時間節點的風量、負壓以及電參數等工作信息。下圖為現場1號風機部分工作時間的報表輸出數據。通過輸入查詢日期可查詢自設時間區間段內的任何自然天的歷史數據（本系統設計時間域為一年）。

報表查詢的部分設計代碼：

圖6 1#風機運行的報表數據

(2)數據庫存儲與查詢

系統數據訪問功能支持ODBC訪問接口，可通過建立Access數據庫源，連接系統軟件查詢界面表格實現軟件系統與數據庫的通信、存儲功能。并針對關鍵報警數據可實現分條件查詢功能。系統軟件與上述數據庫相連接，可實現只依賴于物理存儲空間要求的無限制存檔與查詢功能，完全能夠滿足煤礦全過程運行等要求。

3.4 喘振監測預警系統的硬件設計與調試

根據上述軸流風機在葉輪進口處裝置喘振報警裝置，該裝置是由一根彼特曼管布置在葉輪的前方，開口對著葉輪的旋轉方向。彼特曼管是將一根直管的端部彎成90°（將開口對著氣流方向），用U形管與其相連，則U形管（壓力表）的讀數應該為氣流的動能（動壓）與靜壓之和（全壓）。在正常情況下，彼特曼管測量的是葉輪前的壓力，氣流壓力為負值。但是當風機進入喘振區工作時，由于氣流壓力產生大幅度波動，所以皮托管測到的壓力亦是一個波動的值。為了使皮托管發送的脈沖壓力能通過壓力開關發出報警信號，本系統皮托管的報警值是當動葉片處于最小角度位置（本系統設為-30°），用U形管（壓力表）測得風機葉輪前的壓力再加上2kPa壓力，作為壓差開關的報警整定值。

當運行工況超過喘振極限時，通過壓力檢測裝置測量壓力與風機出口處壓力差值，利用差壓開關的聲光向控制臺發出報警信號。由于軸流風機運行工況和流量特性復雜多變，喘振的監測、預警過程存在一定的不確定性。在軟硬件聯合設計中，應考慮風機啟動過程中有可能會通過預警范圍，為了防止誤報警，在風機啟動運行時可考慮一定的延遲后再進行報警監測。當監測到喘振預警后，也應該在15s內進行連續監測，待確定后再進行后續調控，以防止誤報警、誤停機的發生。

4 實際應用

目前該系統已投入煤礦主扇風機監測現場，系統運行穩定。與改造之前相比，解決了現場一直以來各傳感監測模塊只能分散記錄，信號傳輸和預警延遲，監測數據無法長時間存儲與分類查詢、顯示，以及無法快速生成統一報表等諸多實際問題。