張 強

（霍州煤電集團有限責任公司霍寶干河煤礦，山西 臨汾 041600）

在煤礦生產(chǎn)中，為保證井下作業(yè)人員正常作業(yè)，就必須有源源不斷的新鮮空氣輸入的通風系統(tǒng)。為了保證通風系統(tǒng)的正常運行，一般系統(tǒng)使用兩臺風機，可以實現(xiàn)切換。但是系統(tǒng)的工作效率較差，造成了很大的電力浪費，煤礦維修不到位、到期不維護以及帶故障運行的現(xiàn)象時有發(fā)生，同時監(jiān)控方式較為落后，導致故障率較高，而且維修時間較長，對井下環(huán)境造成威脅。

為了保障井下的安全生產(chǎn)，急需設(shè)計一個通風系統(tǒng)的安全監(jiān)測系統(tǒng)[1-4]，旨在實現(xiàn)系統(tǒng)運行的實時監(jiān)控，維護保養(yǎng)的及時處理，延長設(shè)備的壽命，降低成本，營造一個安全生產(chǎn)的氛圍。

1 MCGS 組態(tài)軟件系統(tǒng)簡介

通風系統(tǒng)安全監(jiān)測系統(tǒng)是基于MCGS 組態(tài)軟件衍生的，MCGS 軟件作為一款中文界面呈現(xiàn)的工業(yè)軟件，其由于操作便捷、穩(wěn)定可靠等特性受到了大眾的歡迎。同時，軟件還有成熟的用戶界面，可以將監(jiān)控結(jié)果實時地顯示在終端PC 上，便于人們?nèi)シ治觥CGS 軟件的結(jié)構(gòu)分布圖如圖1。

圖1 MCGS 組態(tài)軟件結(jié)構(gòu)圖

MCGS 軟件是由組態(tài)環(huán)境與運行環(huán)境兩方面組成的。其中組態(tài)環(huán)境主要是用于與用戶相連接的部分，其可以通過實時數(shù)據(jù)來完成動畫的繪制、流程的梳理、報表的設(shè)計以及與相關(guān)設(shè)備形成互聯(lián)；運行環(huán)境則是對組態(tài)環(huán)境中形成的各種分析進行展示以及輸出，完成PC 端的實時顯示。

2 基于MCGS 的礦井通風機監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計目標

在對系統(tǒng)進行設(shè)計之前，首先應(yīng)該明確安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計要求。該系統(tǒng)由于工作環(huán)境等影響使得監(jiān)控的難度較大，如下為各個模塊的設(shè)計目標：

（1）實現(xiàn)通風系統(tǒng)的參數(shù)監(jiān)測，通過傳感器實現(xiàn)參數(shù)的收集以及上傳。參數(shù)包括系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程中的溫濕度、壓力、振動幅度、工作效率等，旨在對系統(tǒng)進行合理的運轉(zhuǎn)評價。

（2）完成井下工作環(huán)境的監(jiān)測。其主要通過氣體傳感器對井下工作環(huán)境中氣體濃度等進行監(jiān)測與收集。

（3）實現(xiàn)系統(tǒng)的效率調(diào)節(jié)。借助對系統(tǒng)電壓的改變來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的變頻器，進而實現(xiàn)系統(tǒng)運行效率變化。

2.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

安全監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計圖，如圖2 所示。設(shè)計的安全系統(tǒng)是以MCGS 組態(tài)軟件為依托，配合傳感器實現(xiàn)安全監(jiān)測功能，在過程中傳感器主要用來收集以及傳輸通風系統(tǒng)的參數(shù)信號。本系統(tǒng)主要是通過傳感器接收、輸出所監(jiān)控通風機的各類信號，經(jīng)過簡單分析整理后，上傳至PLC 測控系統(tǒng)，再依靠A/D、D/A 的相互轉(zhuǎn)換將收集的數(shù)字轉(zhuǎn)化為模擬量，通過控制系統(tǒng)電壓來調(diào)節(jié)通風系統(tǒng)功率，隨后再將信號通過MCGS 軟件傳輸至PC 端，實時顯示監(jiān)控數(shù)據(jù)畫面。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計圖

在安全監(jiān)控系統(tǒng)中，最為關(guān)鍵的組成部分當屬井上的監(jiān)控模塊，通過傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理最終以動畫或者報表的形式呈現(xiàn)的終端。監(jiān)控系統(tǒng)的組成分布如圖3。一個完整的監(jiān)控系統(tǒng)模塊，必須由系統(tǒng)管理模塊、設(shè)備管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊以及系統(tǒng)幫助模塊組成。

圖3 監(jiān)控模塊分布圖

3 監(jiān)控系統(tǒng)硬件的選型設(shè)計

3.1 傳感器的選型

在礦井通風機監(jiān)控系統(tǒng)中，若想更好地實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控功能，需要通過傳感器來進行井下信號的采集。傳感器作為系統(tǒng)的基本組成部分，其性能的好壞會決定信號的精準性以及系統(tǒng)整體的分布。決定傳感器性能的關(guān)鍵參數(shù)有：分辨率、靈敏度、精確度、工作范圍、響應(yīng)時間等。在本文所設(shè)計的安全監(jiān)控系統(tǒng)中主要使用的是溫度、壓力的傳感器。

傳感器均勻地分布在井下的關(guān)鍵監(jiān)控位置上，井下地質(zhì)環(huán)境以及惡劣的采煤環(huán)境會對傳感器造成一定的影響，會影響傳感器的精確度以及靈敏度等參數(shù)。如圖4 為造成傳感器波動的外部環(huán)境，鑒于工作環(huán)境無法改善的現(xiàn)實情況，需要選擇可靠性較高、受井下環(huán)境影響小的傳感器使用。

圖4 傳感器外部影響因素

為了更好地實現(xiàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)的功能，需要對通風系統(tǒng)的溫濕度、開停機、氣壓等信號進行傳輸。參照上述影響傳感器的外部因素，在選型時必須選擇性能穩(wěn)定、便于拆裝、響應(yīng)時間短、準確性高的傳感器。通過查詢資料，對比不同傳感器在干擾下的傳輸效果，最終選擇性價比最高的PT100 傳感器、CP200 傳感器，另外還有關(guān)于井下空氣濃度收集的傳感器。

3.2 PLC 的選型設(shè)計

在PLC 控制器中，CPU 作為最核心的部件，有運算以及控制兩種功能，目前最常用的是六十四位處理器。PLC 的工作流程是傳感器將數(shù)據(jù)信號收集并上傳，PLC 在電源單元的支持下開始工作，通過識別輸入信號，將信號轉(zhuǎn)化為CPU 可識別的形式，由CPU 中的運算模組開始進行分析，分析完成后通過控制模組進行發(fā)號施令，同時將數(shù)據(jù)以及分析結(jié)果分到存儲器中，控制模組的命令將通過輸出單元傳遞到輸出設(shè)備即一線的傳感器或者通風系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)電壓等參數(shù)來進行系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)節(jié)，完成PLC 控制器的一次工作。PLC 的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5。

圖5 PLC 的結(jié)構(gòu)示意圖

為了匹配使用場景，本設(shè)計最終選定西門子57-300 型號的PLC 作為系統(tǒng)控制器。選擇此型號控制器的原因在于，首先該型號控制器屬于典型的模塊化結(jié)構(gòu)，完全匹配系統(tǒng)中PLC 控制器使用；其次該控制器擁有很強大的分析功能，其運行速率快而且可靠性高，同時添加了故障診斷的模塊，能夠通過數(shù)據(jù)分析結(jié)果得出系統(tǒng)的故障所在；同時該控制器還具有強大的存儲功能，可以將PLC 各個模塊的數(shù)據(jù)變化全部記錄，有助于協(xié)助系統(tǒng)進行分析。

目前該系統(tǒng)已經(jīng)在干河煤礦綜采1#工作面進行施工選材，預計2023 年初可以投入使用，按照目前規(guī)劃，預計信號傳輸時間節(jié)約30%，故障率降低60%，設(shè)備維修成本降低30%以上，同時節(jié)約人工。

4 結(jié)論

在MCGS 組態(tài)軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)了一款通風系統(tǒng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)，通過改變傳統(tǒng)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)布置，經(jīng)傳感器來獲取井下實時數(shù)據(jù)信息，再通過PLC 的處理，最終將數(shù)據(jù)實時傳遞到井上的監(jiān)控PC端，通過數(shù)據(jù)的分析對比判斷各部件的運行狀態(tài)，實時監(jiān)控使用情況，旨在第一時間處理異常情況，保障井下開采環(huán)境的安全，同時可減少維護更換設(shè)備的費用。