矿井通风在线监测系统设计.docx
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矿井通风在线监测系统设计
矿井通风在线监测系统设计
摘要
煤炭是我国的基础能源,在国民经济中发挥了重要的作用,然而,当前煤矿安全生产形势依然相当严峻,重、特大事故没能得到有效控制。
针对我国煤矿井下通风参数监测及管理方面存在的问题,设计一套集信号采集、传输、处理于一体的矿井通风在线监测系统。
系统选用西门子S7-200PLC为矿井通风自动监控系统的核心。
通过各种传感器检测风机运行的性能参数和主通风巷道的各种环境参数的方法,实现了对矿井通风机的性能、状态和电机的电气参数以及作业井下的各种环境参数进行实时监测,并能通过通讯系统达到实时控制。
系统针对性的解决了主通风机设备的自动化监测,有力的保障了通风设施安全、高效、可靠的运行,方便设备的管理和维修,提高了煤矿生产的安全性。
系统采用上位机加下位机的方式来实现,下位机采用PLC作为驱动变频器并且负责采集传感器信号;上位机通过工控机完成声光信号报警、处理数据、生成图表等功能。
依靠以太网实现上、下位机的通讯。
关键字:
监测系统,传感器,PLC
DESIGNOFON-LINEMONITORINGSYSTEMOFMINEVENTILATION
ABSTRACT
CoalisthebasicenergyinChina,playsanimportantroleinthenationaleconomy,however,thecurrentcoalmineproductionsafetysituationisstillgrim,heavy,seriousaccidentshavenotbeeneffectivelycontrolled.Inlightofexistingundergroundcoalmineventilationparametersmonitoringandmanagementproblems,designasetofsignalacquisition,transmission,processinginoneofthemineventilationmonitoringsystem.
ThecoredesignselectionofSiemensS7-200PLCautomaticmonitoringsystemformineventilation.Methodsthroughthevariousenvironmentalparametersofvarioussensorstodetecttherunningfanperformanceparametersandthesiteoftheminemainventilationroadway,theparametersandelectricalproperties,andthemotorofthemineventilationmachineworkwellvariousenvironmentalparametersinreal-timemonitoring,andcanachievereal-timecontrolthroughthecommunicationsystem.
Thesystemsolvestheautomaticmonitoringofthemainventilationequipment,powerfulguaranteeforventilationsafe,efficient,reliableoperation,convenientmanagementandrepairofequipment,improvethesafetyofcoalproduction.Systemusestheuppermachineandlowermachinetoachieve,adoptsPLCasdriveinverterandresponsibleforcollectingsensorsignal;PCtocompletethefunctionsofacousto-opticalarmsignal,dataprocessing,generatingchartsbyipc.TheuseofSiemensinthedesignoftheSTEP7toachievePLCprogramming,theuseofKingviewconfigurationPCman-machineinterfaceprogram,relyingontheEthernetimplementation,thelowerpositionmachinecommunication.
Keywords:
monitoringsystem,sensor,PLC
1绪论
随着我国经济的快速发展,近年来,能源危机成为制约我国经济发展的重大问题。
而对于煤矿而言,电力、人力、物力等能源的浪费极为严重,所以矿井设备的节能减排在煤矿中显得非常重要。
在矿井设备中,主通风机担负着“矿井肺脏”的重担,它的作用就给井下工作人员输送足够的新鲜氧气,稀释、排除有毒、有害、爆炸性气体,调节井下空气的温度和湿度,改善工作环境,保证安全生产。
煤矿生产时在地下作业,环境条件比较复杂,而矿井的通风机组在这样恶劣的环境下工作,又长期处于连续运转的状态,所以很容易发生通风安全事故[1]。
矿井的通风系统的安全运行,直接关系到煤矿的生产效率和人员安全,一旦发生故障,必将造成重大的人员伤亡和财产损失。
所以,建立一套数字化的矿井通风在线监测系统势在必行。
1.1选题的背景和意义
煤炭是我国最为重要的能源资源之一。
目前,我国的煤炭产量大,煤炭在一次商品能源消费构成中占很大比重。
从我国现在的能源状况及经济技术发展水平来看,煤炭在今后相当长的一段时期内,仍还将是我国最主要的能源。
我国煤炭利用的最重要途径是热力发电,煤炭是我国能源安全供应及经济社会发展的重要保障,煤炭行业的通风安全直接决定我国煤炭行业的可持续发展,因此将实现煤矿矿井通风的在线监测是我们国家煤炭行业势在必行的[2]。
矿井通风的主要目的和作用是稀释并排出井下产生的有害气体和粉尘。
良好的通风系统能为井下职工提供一个舒适的工作环境,确保矿井的安全生产,而矿井通风机又是矿井通风系统的主要设备之一,因此我们有必要进行全方位监控,以保证通风系统的良好运行。
由于井下工作环境恶劣,主通风机工作电压较高,电流较大,出现故障的概率也较大。
一旦发生故障,将会对整个矿区的生产和安全造成重大影响。
因此,有必要建立一套功能完善的自动监控系统,实现矿井主通风机性能及状态和井下环境数据的在线实时监测,以便在生产过程中及时掌握主通风机的运行参数和状态,这也是主通风机控制系统的发展方向。
据统计,煤矿事故70%以上是由于通风设备故障、通风管理不善等所造成。
随着煤矿生产规模的扩大、生产效率的提高,井下通风系统对通风设备的监测、监控也必须提出了更高的要求。
利用设备在线监测、监控等相关技术,实时调节风机运行状态,及早发现故障隐患十分必要。
高压变频技术、智能控制技术、传感器技术、现场总线技术以及工业以太网技术的迅速发展,为满足煤矿生产的上述要求提供了可能。
设计的监测系统就是在此背景下提出的。
设备运行状态监测与故障诊断技术是目前保证大型机组安全运行,防止恶性事故的有效手段。
它可以及时发现机组的运行故障先兆,诊断产生故障的原因,为生产和维修提供决策依据,同时也避免了定期检修引起的生产停顿。
近年来,计算机及网络技术的迅猛发展,为实时在线监测与故障诊断提供了良好的条件。
将计算机网络技术用于实时状态监测,实现关键设备运行状态的集中管理、集中分析,必将极大的提高设备维修人员的工作效率。
同时为企业的正常生产提供了可靠的保证并
避免了一些不必要的损失。
采取监测这种经济、简便的方法可以实现“移动的是数据而不是人”,通过计算机把现场数据及时送到专家手中,就可以像专家在现场一样准确、及时地做出判断,采取有效措施解决问题[3]。
建立通风系统的在线监测系统,使我们可以通过现有的网络对该设备进行实时监测和诊断,利用计算机诊断网络有利于数据积累、资源共享。
并且对监测者和分析者的计算机无需安装分析软件,这便实现多方专家对议论设备进行同时监测和会诊提供可能,从而使故障诊断更及时、更可靠。
1.2矿井通风在线监测的国内外发展状况
在国外,人们很早就对矿井主通风机系统有了研究,至20世纪80年代,已经研究出配有自动检测系统的风机,它不但具有判断工作状况的功能,还能及时的判断故障并预测使用的寿命和预报维修时限,在经济效益上也取得了很好的成绩。
随着国外科学技术的突飞猛进,电子技术和计算机技术的发展,计算机智能化、自动化的监控技术也进一步得到了提高。
20世纪90年代,在一些发达国家中,计算机监控技术作为自动控制技术的一个重要分支己经进入了快速发展的阶段。
目前国外的一些大公司已经开发研制出了适合用户使用的组态软件。
例如德国西门于公司的Wincc软件就是主要针对他们的PLC产品而开发的组态监控软件,还有Honeywell公司和GE公司的组态产品等。
而在监测预警方面,美国西屋公司最为著名,至1990年已经发展为适用于网络监测预警专家系统,另外还包括了美国本特公司的TS系统等[4]。
我国在此研究领域起步较晚,检测的仪器及设备都处于落后的阶段,从上世纪70年代计算机监控技术才开始在我国发展。
大部分还采用老式的模拟仪表,人工操作等方法,不能实现在线监测系统的工矿自动化。
因此解决矿井主通风机实现实时的在线监测和远距离控制,成为大型矿井设备自动化管理的关键技术环节。
近年来,许多学校、科研院所研制出了多种主通风机的监测、监控和故障诊断系统或仪器仪表,并通过许多单位的试验,在现场应用中取得了良好的效果。
中国矿业大学胡亚非教授等人研制的矿井主通风机性能在线监测与通讯系统,方法新颖独特,其风量的监测方法解决了矿井恶劣通风条件下,在线监测风流含尘、潮湿、脉动、可靠性及准确性差的关键技术难题,提高了矿井通风设备自动化、科学化管理水平。
该系统可以进行主通风机性能参数的在线监测、通风机性能曲线的定期测定、可实现通风机房与机电科、通风科、调度室等管理部门的通讯联网。
计算机操作界面友好,可以查看历史记录,按需打印监测结果数据或曲线图形。
该系统在充州矿务局鲍店煤矿南北风井、济宁二号煤矿中央风井、济宁许厂煤矿、山东里彦煤矿投入使用,至今系统性能可靠、功能较全,在国内矿井主通风机在线监测监控方面处于前列。
煤科总院抚顺分院研制的ZF-1型智能通风多参数测试仪可同时测量压力、温度及风速三个通风参数。
淮南矿务局1995年从德国AEG公司引进的配套风机电控系统(风机是德国TLT公司生产的矿用轴流风机,采用绕线式异步电动机拖动,转子串液体电阻的起动方案)采用两台PLC作下位机对风机进行冗余控制,通过上位PLC设定风机的运行参数,监视风机的运行状态和故障信息[5]。
东滩煤矿引进的4台法国HDR280-69型动调轴流风机,用于北、西风井。
其动叶片角度调节采用
伺服电机+机械连杆系统,连续可调采取调节动叶片角度反风,取消了反风道;当一台风机停机时,另一台风机能自动投入运行;叶片角度测量分就地显示和控制柜显示两种。
运行情况良好,年运行费用低,在不停机的情况下实现工况点的连续可调或反风,调节灵活方便。
此外,煤科总院上海分院、山西矿业学院、辽宁工程技术大学、西安矿业学院等科研机构和学校也都研制出不同的矿井主通风机在线监测监控系统,经应用也取得了良好的效果。
测试是故障诊断的前提,故障诊断是测试的更好应用。
近些年,故障诊断在矿井主通风机在线监测监控方面也有一定程度的应用。
如煤科总院重庆分院研制的FJZ型矿井主通风机在线监测与故障诊断仪,对通风机的振动烈度、轴心轨迹、轴温、风量、负压、电流、电压等多种参数进行实时监测,对常见的“初始不平衡”、“转子偏心”等14种机械故障进行自动诊断,在和全矿监测主系统联网后,能及时将通风机运行状况信息送至地面中心站,应用情况很好。
由于故障诊断系统可以较早的发现故障、预报故障、尽快地找到故障源,无疑大大增强了矿井主通风机在线监测、监控的功能,提高了煤矿自动化管理水平。
1.3应用前景
目前煤矿矿井通风系统的控制系统,大多仍采用继电、接触器控制系统,但这种控制系统存在着体积大、机械触点多、接线复杂、可靠性低、排除故障困难等很多的缺陷;如果工作通风机不采用变频控制,那么矿井通风量的调节方法,只能依靠两个垂直风门提起的高度,和调节风机扇叶的数量和角度。
那么主通风机就会一直高速运行,备用通风机停止,不能轮休工作,易使工作通风机产生故障,降低使用寿命,也会造成很大的能源浪费[6]。
针对这一系列问题,随着电子技术和微电子技术的迅速发展,PLC和变频器正成为通用、廉价和性能可靠的控制和驱动设备,得到广泛的应用。
系统将PLC与变频器有机地结合起来,采用以矿井气压压力为主控参数,实现对电动机工作过程和运转速度的有效控制,使矿井中用的通风机通风高效、安全,达到了明显的节能效果。
由PLC控制的变频调速通风机的通风系统,具有较高的可靠性和较好的节能效果,易于组建成整体的自控系统,很方便地实现各种控制切换和远程监控。
PLC控制系统还具有对驱动风机的电机过热保护、故障报警、机械故障报警和瓦斯浓度断电等功能特点,为煤矿矿井通风系统的节能技术改造提供了一条新途径。
1.4设计的特色
传统的煤矿通风系统存在着很多问题,
(1)人工监控的方式。
由于人工亲自监控,所以可靠性低、工作时间长、效率低。
一旦工作人员出现疏忽,将导致数据的不准确,后果十分严重。
(2)传统的矿井主通风机以全功率状态运行,造成了耗电量大的浪费。
(3)一般的煤矿通风方式多采用抽出式,主要是抽出矿井巷道里大量的可燃有害气体,将其排放到空气中,污染空气。
所以随着煤矿生产规模的扩大和效率的提高,井下通风机系统对通风机的控制系统提出了更高的要求。
变频调速技术、智能控制技术、传感器技术和工业以太网技术的迅速发展,为实现煤矿安全高效生产的要求提供了可
能性。
在科学技术不断发展下,设计研究出一种对矿井通风系统能够有效监测和控制的系统,对通风机的各个参数和运行状况以及井下的各种气体参数进行实时监控,来解决通风机的安全运行,扩大矿井生产的规模,进而提高矿井的生产效率。
2监控系统方案
矿用通风机作为“矿井肺脏”,它的运行好坏直接关系到矿业生产的安全进行,矿用通风机的检测与调节对整个矿山的生产与安全作业有着重要的意义。
数字化监测系统的建立,就是要对矿井通风机系统的重要工作参数进行采集和处理。
检测系统是整个矿井信息化系统建设的基础,只有建立起行之有效、切实可靠的检测系统才能保证井下的安全作业。
通过变频调速技术,调节系统可以降低能耗,产生巨大的经济效应,实现节约电能与提高效率的目的。
通过检测系统所反馈的风机风量,调节系统可以根据PID自动调节风机的转速,达到风量输出的优化,实现良好的井下作业环境。
2.1通风系统安全生产的关键因素分析
风机是传送空气的机械,其运行的好坏,直接关系到矿井的安全生产,其运行的效率,直接关系到矿井的经济效益。
矿用通风机安全运行,必须对其运行参数做必要检测,针对不同情况执行合适的操作。
矿用通风机,必须运行在最佳效率工作点,才能最大限度的减少能源浪费。
确定通风机的调节方式,是实现节能的最大关键,因此需要确定风机的各种影响参数。
1.风量
根据《矿山通风技术规范》,矿井所需风量按井下同时工作的最多人数计算,供给新鲜风量不得少于4m3/min,并且按各种工作状况(如爆破,排尘等)的不同,各个工作面所需的风量也不同[7]。
过多的风量供给会浪费电能,降低经济效益,甚至会因为风量过多,使风速过大,超过最优排尘风速,引起粉尘浓度的升高。
过低的风量供给,不利于井下工作环境的改善和有害物质的排出,影响正常生产,甚至可能造成安全生产事故。
因此,如何把风量控制在一个合适的范围,是节能的关键。
2.风机和电机轴承温度、电机定子温度
在风机的运行过程中,对轴承的温度监测特别重要。
轴承过热可能是轴承的损坏、转子不平衡、转轴弯曲等原因所导致,轴承长时间工作在过热的状态下,损坏轴承还可能引起风机的振动、抱轴等危险,所以对风机轴承温度和电机温度进行实时监测显得很重要。
同样,由于电机是风机的传动元件,电机日夜不停的工作,如果电机定子散热不好,电机依然持续工作,会加速电机定子绕组和励磁绕组的绕线绝缘漆快速老化,如果不能及时得到解决会有烧电机的危险,直接导致矿山停产,所以对电机的定子温度的监测也是风机监测环节中不可缺少的一部分。
由于在风机和电机的生产过程中,生产厂家已经将温度传感器置入了风机和电机轴承座内和电机的定子的检测点,所以这里不需要对其描述过多,传感器引出的信号可以直接使用。
3.粉尘浓度与CO浓度和瓦斯浓度
矿产资源开采与利用满足了国民经济快速发展对矿产资源需求。
由于粉尘的危害使从业人员所付出的健康甚至生命的代价己经成为人们关注的焦点,尤其是资源开采工程中所产生的粉尘导致职业病的发生,直接危害着从业人员的身体状况。
根据《矿山通风技术规范》要求,进风井巷、采掘工作面和井下其他产尘点的风源含尘量应不超过0.5mg/m3[7]。
所以对矿山尤其是井下开采的煤矿的
作业场所进行粉尘的监测,对于从源头上控制职业病的发生,确保从业人员的健康尤为重要。
CO是在矿山开采中炮烟的主要成分,当浓度过高时,会导致窒息、中毒,因此需要对CO浓度进行检测。
4.电力参数
电力参数包括电机的三相电流、电机的三相电压、电机功率、功率因数。
及时了解这些参数信息,可以监控电机的运行状况。
当系统由于故障等原因引起电压或电流等信号偏大时,系统自动切断电网给电机供电,保护风机的运行。
同时,为风机系统的故障诊断提供依据。
2.2系统功能需求分析
矿井通风系统是矿井安全生产和灾害防治的基础,随着科学技术的不断发展和计算机应用的普及,对生产设备的管理要求越来越高,在恶劣环境下实现在线监测、控制,实现对通风机运行的优化控制,是设计此矿井通风监测系统的目的。
结合矿山生产过程的实际需求和综合监测系统的一些基本功能,设计系统应该具有以下几个功能:
1..监测与报警功能
(1)关键参数的检测,包括风压、风量、CO气体、矿尘、瓦斯浓度等环境参数。
(2)机电设备运行状态的检测,包括风机和电机轴承温度、电机定子温度、电机振动参数、电机电压、电流等的监测。
(3)报警与预警,如压力、一氧化碳超限、电流超限等报警,对可能发生的警情进行预警。
(4)信息的显示与提示,如各种参数信息的实时显示。
(5)监测数据记录保存、统计及报表打印输出,对上级部门发布数据,实现矿井的远程监测。
2.控制功能
(1)风机的启停和正反转控制,可以手动或者远程发布命令控制风机。
(2)风机的变频调速控制,实现电机的变频调速,达到节能的目的。
(3)显示各种运行工况,如风量,工作电压、工作电流、故障信息等,便于事故及时处理。
(4)控制上下位机通讯,与上位机联网通信,将故障信息、风机运行状况等信息传送到上位机,同时上位机可以实时要求下位机传送所需数据。
2.3系统总体方案
监控系统综合利用现代自动控制技术、计算机技术及网络通信技术,实现对通风机运行参数的实时监测与通风机主辅设备控制的一体化。
系统共分三层:
设备层,控制层,监测层。
如图2-1所示:
设备层即现场监测层,主要实现风机各种变量参数的检测,由各种传感器,电量监测设备,变频器等组成,完成对设备的运行工况参数的采集。
中央控制层由带有以太网接口的PLC组成,PLC作为总站,就地站以及远程输入站作为从站,采用现场仪表信号与PLC的扩展模块连接经过A/D转换后把现场检测到的信号数据输入到PLC中。
通过以太网交换机与上层监控管理层的工控机联网,向工控机传送风机系统的运行状态(运行、停止、正转、反转等),同时接收工控机的控制命令,采集风机系统的工况参数(如风压、风量、风机轴承温度、电机定子绕组温度、电压、电流、功率因数、功率和开关状态等),其采集的数据经过转换后远传给上层监控管理层的工控机。
远程监控管理层直接接入矿调度室,由上位工控机、打印机、不间断电源等设备组成,提供集中监控管理功能,可以实现监控通风系统运行情况、故障报警与分析、数据统计分析、报表生成打印、历史数据记录管理等操作。
图2-1网络结构
系统采用现场仪表信号采集。
对S7—200PLC进行模块的扩展,对现场仪表采集到的模拟量进行A/D转换后输入到PLC中。
同时系统中采用CP243-1以太网通信模块将S7-200PLC连接到工业以太网中。
借助CP243-1,S7-200可以用于远程组态编程和诊断。
通信结构及检测结构如图2-2和2-3所示:
图2-2通信结构图
图2-3监测系统结构图
1.PLC系统
系统采用现场仪表信号采集并传送至PLC,PLC主要完成两个功能,一是接收通风系统中传感器监测的参数,完成通风巷道现场数据的采集(如生产工作面和巷道内的粉尘浓度、CO浓度、以及电机的工作电压电流等参数)、一些控制命令的执行以及现场操作指令完成等功能;二是风量调节功能,PLC根据现场传感器给予的参数,控制变频器输出不同频率,实现PID控制,从而控制异步电机转速,达到控制风量的效果。
2.上位机系统
上位机系统,一方面用作系统的人机交互界面,实时显示风机的运行状态、监视风道的风量、粉尘浓度、电压电流、温湿度等信号,以便管理人员查看。
另一方面,管理人员可通过监控系统发布控制命令,对风机进行启动/停止控制与风量控制等。
同时,由现场监控层发送上来的监测信息和PLC监控层发送的控制命令及时保存到数据库中,便于企业管理和事故分析。
3.现场仪表传感器
现场监控由各种传感器组成,它所要完成各种数据的采集,完成与PLC系统监控层的数据传送与接收,完成数据的存储功能,执行各种控制命令。
各种传感器信号经A/D转换成数字量后被送至风机控制器PLC系统中。
温瓦斯浓度、粉尘浓度、CO浓度通过安装特定的传感器获得数据,电压电流以及定子温度等信号通过接在电机上的传感器获得,一些必要的控制命令通过控制面板控制器进行传送,执行相应的操作。
风机监测信息通过网口向地面上位机系统进行传输。
每一个风机控制器有一个固定唯一的IP地址,通过TCP/IP协议与数字通信网络进行信息交换。
上位机控制信号经光纤通信网络传送至PLC控制系统,信号通过RS485传送至变频器控制风量的输出。
变频器,电机,风机与风量传感器组成闭环控制系统,其控制策略为PID控制。
PLC控制系统可直接接收转速传感器中4~20mA模拟信号,经PID调节后,由变频器输出频率控制异步电机转速,达到风量控制的目的。
系统中的监控对象为煤矿主通风机和井下的各种气体浓度,如图2-4为监控示意图。
按照规定,矿井主通风设备必须有2套,通风能力完全相同,一用一备。
当1#通风机发生故障时,自动切换到2#通风机,同时关闭阀门A,打开阀门B,以保证通风系统的正常运行。
为了更好地使用2组通风设备,还可以通过自动控制系统,使2组通风机轮流使用,最大限度延长设备使用寿命。
图2-4系统监测示意图
3变频系统
3.1主电路设计
主电路中MA1,MA2为对旋式轴流风机的两台电机,交流接触器QA4、QA6分别控制MA1
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