矿井通风机系统设计论文

摘要在分析了传统矿用主要通风机在测试风量数据时存在的如布线困难、数据处理不及时等问题的基础上，提出应用GPRS技术来解决这些问题的实现方法。详细介绍了GPRS应用于该系统的设计与实现方法，并对系统软硬件设计做了详尽描述。以下是小编精心整理的《矿井通风机系统设计论文 (精选3篇)》，希望对大家有所帮助。

矿井通风机系统设计论文 篇1：

基于S7-1200PLC采集监控的矿井通风机智能控制系统设计

摘 要：煤矿需要采用机械通风，通风机是煤矿矿井的心脏，通风机的性能对于整个系统的运行和矿井的安全起到至关重要的作用。针对通风机的性能监测，我们设计了基于S7-1200PLC信息采集及自动调节的矿井通风机智能控制系统，主要是硬件软件和上位机界面，以实现对煤矿通风机的实时状态分析。该系统有效提高了矿井通风机运行的智能化水平和安全程度。

关键词：通风机;智能控制系统;上位机

一、发展现状

目前，国外已经将智能化、自动化控制技术与现代化管理技术应用到煤矿的主通风机安全管理上，而我国主通风机监控系统也从简单监测进步到智能监控，凭借互联网平台实现了主通风机监控系统和全矿综合调度的连接，完成了对现场设备的远程监控，使矿井的可靠生产得到保证，同时系统自动化水平也提高了，但依旧存在许多问题，如：通风设备的检修还停留在预防维修方式上，不能实现状态维修;通风设备的管理还是停留在人为管理上，复杂的生产系统和设备依靠单人单机的管理方式，安全生产的数据依靠人为统计分析，管理还是传统的经验主义型。

随着国家科技兴安政策的出台和煤矿企业由粗放型向集约型管理转变的需要，紧紧抓住科学技术的发展，建立以现代控制技术、计算机技术、网络技术，先进过程控制理论与管理有机结合的通风系统监控和管理平台，实现对煤矿安全生产的主通风机的智能控制和综合管理，对于降低煤炭企业生产成本、提高通风系统设备运行的经济性和安全性、达到效益最大化、实现煤炭企业又快又好发展，具有强烈的现实意义。

二、工作原理

主通风机有抽出式、压入式和压抽混合式三种工作方式。本通风机监控系统采用了四台通风机，并且两两互为备用，当一组通风机的一号通风机运行时，二号通风机就处于检修或者备用状态。运用的对旋轴流风机，指前后串联两个直径和轮毂比都相同但旋转方向相反的叶轮组成的通风机。轴向尺寸小，结构简单紧凑，缩短了整机的轴向尺寸。反向性能好，改变叶轮旋转方向即可反风，实用性和效果很好。结构如图2.1所示。

运行时，1号门先打开，通风使风机运行，而后1号门关闭，2号门打开，完成煤矿通风，34门同理，作为备用。两边的风都是逆时针的风。这样的结构可以达到呼吸要求，有效降低了瓦斯浓度，安全性极高。

风机运行时，风机所配备的传感器开始工作，采集周围环境的温度，湿度，风压，瓦斯浓度等数据并通过plc将所采集到的数据由模拟量转化为数字量，经过与所设定的参数值比对分析之后，再次通过plc将数字量转化为模拟量，最后通过转化得到的电压值对变频器进行调节，各个数据都通过上位机显示出来。下面介绍其中的一项数据监测系统的运行流程。

根据矿井通风系统的实际运行状态及监测控制需求，以通风机运行时的环境温湿情况作为基本监测基准，通过高精度温度湿度传感器获取通风机运行时的环境因素数据，将其传输到监测控制中心内对温度湿度进行分析，完成对其运行情况的在线监测和故障诊断。其智能监测及故障诊断系统整体结构如图2.2所示中。图引自【1】。

1.智能监测系统

在煤矿风机运行过程中，温度湿度、风量、风压、瓦斯浓度等环境因素都受到通风机的影响，因此我们可以利用在这些因素实现对通风机的智能调节。以大部分人比较熟悉的温度湿度为例，为了测量不同位置的温湿，主分管道上下兩侧都安装传感器，即除去4扇门外管道内侧都配置传感器，具有最佳最全的监测效果，温度传感器选择WZP-100，铂热电阻分度号为pt100，测量范围为0～1300℃，允差等级B，热响应时间40s，灵敏度高、稳定性好。湿敏传感器选用HG12A，湿度测量范围为20-90%RH，精度在±5%RH，响应时间为10s。共7组，每组传感器的数量为两个，温湿各一个。由于组别较多测量数据很多，不需要再在每组用两个传感器取平均值，系统监测结果的准确性依旧很高。

同时为了诊断机械是否有故障问题，监测系统同步对通风机电流、转速、电压、振动频率、振幅等状态进行监测，在环境因素导致通风机运行状态偏离正常值时，会发出故障红色预警信息，如果只是数据异常但通风机并未受到影响，只会以黄色警告出现在记录中。

2.故障诊断装置

因为通风机智能监测及故障诊断需要对多种监测数据进行逐级诊断，故障判别逻辑相对复杂，如果出现偏差，会导致整个监测及故障诊断系统的运行紊乱。在监测过程中，所有的数据都会记录在数据库中，同时不同类型和程度的异常情况会标识出来，系统会对故障原因进行预判和分类，逐步对故障情况分析进行匹配，最终得到正确的诊断结果并输出不同级别的预警信息和故障诊断报告。

由于通风机在运转过程中具有较大的转速和流量，再加上通风通道内温度湿度风压的交叉影响，会对各类传感器的监测结果产生一定的干扰，因此在对监测数据进行分析前需要对其进行滤波处理，以提高数据分析的准确性。在故障判别时。如果故障现象无法与数据库内已有的故障类别高度匹配，则系统进入故障预判模式，使用相似逻辑进行预判比较，将预判结构传输到控制终端，交给人工识别和确认，在故障解决后会同步更新记录在数据库中，既实现故障诊断速度和诊断准确性的统一，又通过反馈更新实现智能化。

3.监测系统数据处理

为了提升系统对故障诊断的智能化程度，在系统内加入了自动化处理和存储功能，能够自主的完成对不同类别的故障现象、故障原因、故障处理方案等的分类存储，同时极大地加快了数据诊断速度和准确性。系统具有日记功能，每天的监测结果都行自主分析、汇总到日记中，同时输出每日监测分析报告，工作人员可以定时查看监测分析报告，定期对通风机进行维修保养，保证了通风机运行状态的相对稳定，也提高了通风机维修的有效性。

4.故障诊断后反馈

在对矿井通风机故障处理后，对处理前后及正常情况下的通风机的运行效果再次进行对比，以判断该次诊断的实际效果，对每次的数据进行分析记录，可获取同类问题的最佳处理方法，这个过程称为后反馈诊断。同时，每次故障处理效果的差异都会有记录，方便每月汇总故障率，故障处理率，故障处理准确率等系統性能，既使得系统自我完善，又变相稳定了通风机的运行状态

5.非故障自动调节

以上介绍的是在数据有较大影响时系统的故障诊断调节系统。在平时的运行过程中，通风机的运行状态也会改变环境状态，一般情况下不影响运行，为了达到环境稳定性，我们也可以实现人工设置自我调节，如某一煤矿工作环境要求为20-26℃，为了运行的稳定，我们将最佳稳定定在23℃，温度25℃时，监测系统会显示在上位机中，通过以上数据库处理方法调节通风机的运行速率，加大风量降低温度。这些数据同样的会记录在日记中，并以曲线图或折线图的形式显示。

三、系统设计

我们的智能控制系统主要是实现通风机状态信息采集监测，实时显示监测数在上位机上，接受上位机的操作命令，通过现场的变频器与现场总线进行通信，并接受上位机的程序指令。如果出现问题或故障，会进行自动控制调节，必要时会报警通知人员维护。信息采集主要采集的数据包括环境因素和器械运行状态，即温度湿度，风压风量，瓦斯浓度，通风机频率转速，调风门的运行状态，运行过程中的电流电压等参数。对此我们设计了符合需要的硬件软件，以及一定工作条件，量程，精度的传感器

1.硬件设计

硬件设计是指为了达到系统功能实现的需要，设计了一定规格、功能、效果的硬件。确定了功能要求后，我们设计了如下电路图3.1，3.2

确定了I/O模拟量数字量点，监控规模大小，裕量，PLC模块各个模组型号等因素后，I/O地址分配后，我们也设计了以下数字量模块图，如图3.3;模拟量模块图3.4，3.5，3.6，3.7

2.软件设计

主通风机智能监控软件设计包括两部分，即上位机监控界面设计和 PLC 程序设计，上位机程序设计在最后介绍。本系统采用了博途软件进行编程，plc采用了模块化设计。主要完成了对矿井通风机的启停控制，数据采集处理，故障报警处理等。风机的启停控制主要分为两种，手动和自动模式。手动模式是必须由工作人员发布命令通过触摸屏对风机进行控制，而自动模式是由操作台发布指令，再由plc通过内部逻辑程序来实现对风机的控制。

(1)主通风机启动程序设计。研究矿井有4台主通风机，均有自动控制和手动控制。当位于自动模式时，系统根据频率判定电机的运行状态。当正常运行时，会用工业以太网将主通风机的各项状态参数传输到上位机控制界面，并正常启动;若判定变频器发生故障时，则重启变频器，检查故障源并修理。如果主通风机发生故障时，系统会立即启动备通风机，并报警通知工作人员维修(以风机频率为例)。

(2)监控故障报警程序设计。为了确保矿井主通风机正常运行，需要设计相应的程序给予保护，当发生故障时，系统可以发生声光报警，启动相应的应急措施。

(3)调节程序设计。(以风机频率为例)算法优化模糊PID控制器，模糊PID控制器在PLC中设计分为2步：首先，采用Matlab辅助计算得出PID控制器的模糊推理查询表，然后使用博途软件对数据进行存储;，其次，将频率比例因子和频率量化因子存储到数据模块中，得到与数据分析库中频率偏差变化率和频率偏差的相关关系，利用大数据查表，得到相应调节参数进行自我调节。

3.传感器选型

我们用到的传感器主要有温度传感器、振动传感器、温度传感器、风压传感器、转速扭矩传感器、流量传感器。

温度传感器型号为WZP-100，这种铂热电阻分度号为pt100，测量范围为0～1300℃，允差等级B，热响应时间40s。振动传感器规格有GBC34，GBD160，GBD20，GBM2000。湿敏传感器可选用HG11/12/12A，湿度测量范围为20-90%RH，精度在±5%RH，响应时间为10s，工作温度25℃。风压传感器用型号为MH30的扩散硅风压传感器，精度0.1，分辨率0.001，工作温度为85℃。转速扭矩传感器型号为WSNJ-101，选择0.1%的精度，分辨率为0.1%，工作温度为-40～60摄氏度。流量传感器使用LUGB-FMT，属于电磁流量计，精度选择±1，公称通径为DN25～300mm。

四、上位机界面

上位机的基本功能有流程画面显示，数据分析归档，报警报表等，是对整个系统工艺流程的展现陈列，同时也是连接不同操作设备的桥梁。流程画面数据显示都是pIc传送到上位机的，报警消息也是pIc程序触发。在上位机软件中，可以直接通过系统对主通风机的风量进行控制，也可以实时调取数据;可以实时了解主通风机运行状况，当发生故障时，上位机界面可以发出警报。如图4.1，4.2所示

五、总结

我们的智能控制系统较好的实现了智能监控、智能诊断、智能调节。在其他智能控制系统主要以风行运行状态进行调节时，我们同时依据了温度、湿度、风量、风压、瓦斯浓度等收风机影响的外界环境因素来智能调节风机运行功率。国内存在的非状态维修和非智能化故障处理在我们的智能系统上也得到了了较好的改善，我们定时定期的自动化监测和诊断，有效的处理了通风机运行过程中的一些问题，稳定性和安全性也得到了巨大的提升。不过目前仍存在一些问题，比如外界环境因素的变化并不只与风机运行状态有关，其变化是复杂的，如何判定风机的具体运行状态还是要依据风机自身的因素。另外环境与风机状态之间的相关函数的计算也较为复杂，并不能完成准确无误的调节，需要多次反馈调节。再者利用数据库处理信息虽然快速高效，工作量也是较大的，对网络、供电等有一定的要求。

参考文献：

[1]郭鑫.矿井通风机智能监测及故障诊断系统的应用研究.机械管理与开发，2021(9)：149，272，275

作者简介：

徐宏洋(2000-)，男，汉族，江苏南京人，江苏师范大学本科在读，自动化专业

基金项目：江苏师范大学大学生创新创业训练计划项目

作者：徐宏洋 朱佳惠 杨霄洁 缪亦琦 吴赟炜

矿井通风机系统设计论文 篇2：

矿井主要通风机风量测试系统设计

摘要　在分析了传统矿用主要通风机在测试风量数据时存在的如布线困难、数据处理不及时等问题的基础上，提出应用GPRS技术来解决这些问题的实现方法。详细介绍了GPRS应用于该系统的设计与实现方法，并对系统软硬件设计做了详尽描述。

关键词　矿井主要通风机　风量　GPRS

目前在采集矿用主要通风机风量参数时所选用的仪器仪表，多采用有线方式进行数据传输[1-3]。有线传输方式有着速度快、稳定可靠的优点，但其在矿硐布线的过程中需要架设仪器、铺设电缆，难度较大，不利于人工现场作业;通常所测得的数据大多只能直接打印输出，在分析和处理数据的时候还需要手工重新录入，即浪费了人力、物力，又给后续工作带来很大不便[4]。

针对以上风机风量参数测试中传统仪器测量存在的诸多缺陷，本系统将从数据传输方式、系统构成上进行相应的改进。首先，将有线传输改为无线传输，GPRS模块由于具有永远在线、自由切换、传输速率高、计费灵活便宜等优点而有着极为广泛的应用[5，6]。因此选用GPRS无线传输技术作为系统的传输方式。其次，对于系统整体结构而言，改变以往单一仪器工作的方式，将测得的风速数据通过无线传输技术送到远程中心计算机当中，从而构成一个测试系统，这样既可以对采集的数据进行相应的分析处理操作，又可以永久保存，随时调取打印，还能通过互联网能实现资源共享。

1　系统设计

为了得到准确的矿用主要通风机风量值，要对矿硐中同一截面多点位置的风速进行采集，本系统在GPRS网络成熟发展和高密度的网络覆盖的基础上，利用现有的资源，以最低的投资，建立一个矿用主要通风机风量无线传输系统。

系统主要包括现场部分、公共网络部分和远程测试中心三部分，且具有三层网络结构。现场部分主要由风速传感器、数据采集板、GPRS无线传输板组成。数据采集板通过不断唤醒风速传感器测量风速数据，并在数据采集板中的控制部件单片机进行处理、存储。当数据的发送时间到时，数据采集板就立即通过标准串行口电路将数据送到GPRS无线传输板上，经过对数据的打包、封装发送到中国移动的GPRS网络及Internet网络上，最终将采集到的风速数据以无线传输方式发送到远程测试中心计算机上，从而完成数据的永久保存、打印输出，并可通过局域网实现共享。

2　系统硬件设计

本系统所设计的系统硬件由数据采集板、GPRS无线数传板、串行通信模块和电源模块四部分组成。系统硬件结构图如图1所示。

系统硬件完成的功能是当数据采集板完成对风速数据的采集与处理工作后，将获得的风速数据通过标准串行口模块输送到GPRS无线数传板上，并在GPRS无线数传板内置的嵌入式处理器进行处理以及协议的封装，然后发送到GPRS网络以及Internet网络上，最终由远程测试中心计算机通过查询方式接收传来的风速数据，同时完成风速数据的显示、存储和输出。

2.1　数据采集板片选及硬件电路图

数据采集板选用的风速传感器是采用三杯式光电风速传感器，当风吹动三杯时，带动光码盘旋转利用发射管和接收管光电作用使之产生与风速相对应的电脉冲信号。将获得的电脉冲信号经过放大，整形送数据采集板中的多路接口电路，进行风速的采样，然后由单片机按一定的时间进行循环扫描，得到各路风速值，从而完成数据采集板的风速数据采集工作，并将采集到的风速值通过标准的串口电路模块送到GPRS无线数传板中。

(1)单片机控制模块：

在数据采集板中选用AVR系列的ATmega128L-8AU单片机作为数据采集板的控制核心部件。数据采集板上的单片机控制模块需用引脚电路图如图2所示。

(2)风速传感器及数据信号转化模块

本系统选用三杯式风速传感器，使用环境在-20oC~50 oC。该风速传感器探头引线桔黄色“+”为+5V电源，蓝为“-”为接地和灰“信号”为产生脉冲信号端。风速传感器产生10个脉冲对应风速为1.0m/s。

每个风速传感器所产生的脉冲信号通过74LS04进行TTL电平转换后直接接到Atmega128的INT0-INT7和PD4口上。分别对应关系为1-8号风速传感器接到Atmega128的专门用于信号输入的端口INT0-INT7;9号风速传感器接到Atmega128的PD4。从而完成9路风速数据的采集过程。其数据信息转化模块硬件电路及接口电路如图3所示。

(3)串口通信模块

在系统串口通信模块中，串行口采用9芯标准RS-232C接口，所用到的引脚为2号接收数据RXD端和3号发送数据TXD端。由于RS-232C的电平与TTL电平不兼容，在单片机的串口和单片机接口之间加入了电平转换芯片MAX232。

(4)电源模块

电源模块采用AC-DC，可以外接220V电源，该电源模块将220V电源转换为系统所需的+12V和+5V电源。

2.2　GPRS无线传输板片选及硬件电路图

GPRS无线数传板的功能是接收地面测试中心发送的指令，并进行相应的处理，然后通过串行通信模块送入单片机控制模块中进行数据处理，串行通信模块具有电平转换和串口通信的功能，SIM卡的功能是存储数据和在安全条件下完成客户身份鉴定和客户信息加密算法的全过程。

(1)单片机控制模块

单片机控制模块仍然采用AVR系列的ATmega128L-8AU单片机作为GPRS无线传输板的控制核心部分。其完成的功能有两种：第一，是将数据采集板上采集到的风速数据进行处理;第二，对GPRS无线传输板进行参数初始化。

(2)GPRS模块

基于提供一种简便实用的GPRS 通讯解决方案的需求，本系统选取SIMCOM公司生产的SIM300无线传输模块。它内嵌了TCP/IP 协议栈，并简化了接口设计，屏蔽了GPRS 模块的复杂接口方式和接口协议栈，取而代之的是通用的232 接口和简单的AT 命令交互界面。采用3.4V-4.5V电压供电，具有短消息服务、语音通话、数据传真等功能。对外可提供天线接口、模拟音频接口、异步串行接口、SIM卡接口等，采用AT指令进行控制，工作温度范围大，抗干扰能力强，适用于工业应用场合。

GPRS无线传输模块由SIM300无线数传模块、SIMCARD模块和SMA天线三部分组成。SIM300无线数传模块硬件电路图如图4所示。

2.3　远程监测中心设计

远程测试中心是一台与Internet网络相连的计算机，通过网络接口与数据采集终端进行GPRS数据传输。远程测试中心要求能安装并运行矿井主要通风机测控服务程序软件，能连接打印机等输出设备。同时要满足连接Internet网络的要求，并配有固定的IP地址。

3　系统软件设计

系统软件采用模块化设计，每个模块实现一个功能或一个协议，便于移植。本系统的软件设计分两个部分，(1)数据采集板的单片机数据采集处理程序、控制GPRS无线数据传输模块的数据收发程序;(2)远程测试中心主机网络应用软件。其中，下位机部分采用C语言程序实现，采用AT命令初始化和控制GPRS模块;上位机的应用软件采用C#语言程序实现，数据库采用ACCESS完成。

数据终端系统的软件设计的关键部分是单片机与GPRS模块的通信，两者间需要定义通信协议、规定数据传输的帧格式，通过AT指令实现GPRS网络的附着、PPP激活、Internet的接入及数据传输。

3.1　自定义数据帧格式

根据系统实际应用定义数据帧格式，如表1所示。

3.2　GPRS登录、数据上报以及下发采集命令功能设计

本系统中，发送帧和确认帧结构与表1相同，根据控制域C内容的不同来确定具体完成的功能。

3.2.1　GPRS登录平台功能设计

(1)GPRS登录、退出登录、在线保持(心跳)。

功能码AFN=02H。GPRS登录状态由数据域(一个字节)表示。其中，F0表示登录，F1表示退出登录，F2表示在线保持(心跳)。其格式如表2所示。

(2)GPRS登录流程

GPRS DTU(Data Terminal Unit)是GPRS技术的一种产品，它可以实现数据的透明传输及协议传换，开发用户不用十分了解DTU的传输协议，只要按照自己的协议传输就可以了，因此该系统选用GPRS DTU(以后简称DTU)进行数据传输。

登录基本流程如下：DTU在与数据中心服务器建立TCP连接后，立即发送登录认证帧(消息)。数据中心服务器接收到登录消息后进行认证，如为合法DTU，则发送相同内容的确认帧给DTU。DTU接收确认帧后确认登录完毕，从而可以进行数据传输。

(3)心跳保持流程

DTU在登录成功后，定时向数据中心发送心跳帧;数据中心接收后，回送心跳确认帧。

3.2.2　数据上报平台功能设计

(1)上报九个测试点的数据

功能码AFN=24H。数据域传输的是由9个传感器测得的风速数据，数据域定义为每个测试点的数据用2个字节表示，即用9*2=18个字节的BCD码表示。数据上报平台的格式如表3所示。

(2)测试数据在数据域中的格式

系统9个风速传感器所测得的数据，均由两个字节组成(整数+小数)，且整数在前小数在后。单位为m/s，取值范围为0.1-35m/s。

3.2.3　定时下发采集命令功能设计

当系统定时下发采集命令时，功能码AFN=54H。响应帧采集9个测试点的数据。发送帧如表4所示，响应帧如表5所示。

3.3　GPRS模块参数设置

当设置连接方式时，功能码AFN=10H。本系统在对GPRS无线传输板进行参数设置时，需要设置TCP/UDP方式选择、IP地址、端口号、心跳时间和上报时间。其中，数据域中TCP/UDP方式选择为1个字节;IP地址为4个字节;端口号为2个字节;心跳时间为1个字节;上报时间为2个字节。

(1)设置连接方式

当设置连接方式时，功能码AFN=10H。则发送帧格式见表6所示。响应帧格式见表7所示。其中，响应帧格式的数据域为1字节，当数据域=5AH时表示设置成功。

(2)查询连接方式

当查询连接方式时，功能码AFN=50H。则发送帧格式见表8所示。响应帧格式见表9所示。

3.4　无线数据传输的软件流程

(1)对远程测试中心计算机进行初始化：将主机建立网络连接，分配独立的IP地址，设置好通信波特率和通信端口，然后展开网络侦听;

(2)GPRS无线数据传输模块参数设置：将端口号、通信波特率和IP地址与远程测试计算机同步，然后进行Modem拨号，将移动终端的类别设置为GPRS上网模式;

(3)GPRS无线Modem将测试中心IP地址存入数据终端的配置地址域，数据终端向远程测试中心发送配置后的数据帧，远程测试中心回应正确的数据帧，并建立无线传输连接。

(4)数据传输过程：由于GPRS网络支持TCP/IP协议，所以通过收发IP数据包来传送数据。此时，远程数据终端系统向GGSN发送的所有包含IP报文的PPP报文都会被传送给Internet网中相应的IP地址，从而完成终端系统向远程测试中心通过互联网传输数据段的过程。

4　结论

本系统集数据采集技术、GPRS无线通信技术、数据库技术于一体，实现矿用主要通风机风量测试数据的采集、无线传输等功能。系统设计具有三层网络结构，编程模块化的特点，为以后系统的扩展提供了很大的方便。

根据现场实际情况的要求对系统的技术方案进行了详细的设计。

(1)在数据传输方式上，采用GPRS无线传输方式进行数据传输。从而解决了有线传输在布线、架设上存在的缺陷，节省了人力。

(2)在系统整体结构上，采用三层网络结构，将测得的风速数据通过无线传输到远程中心计算机中，此时对测得的数据可以方便的进行相应的分析处理操作，既可以永久保存又可以随时调取打印，还可通过互联网实现资源共享。这样即解决了直接打印数据需要再次手工录入的尴尬，又解决了数据存储的困难。

参考文献

[1] 章庆丰,贾宝山,葛少成.DF-3C多路风速仪在主通风机性能测定中的应用[J].矿业安全与环保,2003,30(1):51-52

[2] 于栋,张新民.矿用主通风机风量测试方法的研究[J].煤炭工程,2007,5:84-85

[3] 徐晓宇.ST-JK06系列智能监控终端在矿井风机监控系统中的应用[J].煤矿开采,2007,12(4):95~97

[4] 杨昆,吴东旭. GPRS在矿用主要通风机风量监测系统中的应用[J].微计算机信息,2010,8(1):31-33

[5] R.J.(Bud)Bates.通用分组无线业务(GPRS)技术与应用[M].北京:人民邮电出版社,2003, 17-35

[6] 甄雁翔.基于GPRS的钻孔水文无线遥测系统[D].山东科技大学

作者：杨昆　吴东旭

矿井通风机系统设计论文 篇3：

矿井主通风机监测与故障诊断系统探讨

摘要:文章针对矿井通风机系统参数难以测定和故障率较高的特点,对矿井主要通风机组的各种参数实时监测,并通过故障诊断系统进行决策,探讨了其设计要求、系统组成以及诊断过程中应用到的专家系统、模糊神经网络和智能诊断等技术。

关键词:矿井通风机;故障诊断;专家系统;模糊神经网络;智能诊断

矿山安全生产的关键设备主要是矿井通风机。随着微电子和计算机技术的飞速发展及信号检测水平的不断提高,用计算机技术来完成对主要通风机的工作状况进行实时监测和故障诊断报警是十分必要的。矿井通风机监测需要对电机功率、温度环境、电机升温、振动信号、轴承温度、流量信号等多种参数进行实时监测。当故障发生时,根据通风机故障诊断系统进行故障诊断并对故障类型进行识别,迅速作出决策,发出故障报警及输出结果,指示相关人员迅速采取相应的措施,避免或减轻因故障所造成的损失,以保证安全生产。

一、系统设计及系统监控部位要求

(一)系统设计要求

1.实用性。要求系统提供友好的人机交互界面,操作和维护方便。

2.可靠性。要求系统具备长期和稳定的工作能力,以保证各项监测数据的实时准确可靠,减少人为因素的影响,提供可靠的现场数据支持。

3.集成性和可扩展性。要求系统具备良好的灵活性、兼容性、扩展性和可移植性。能为用户提供良好的二次开发功能及能与其他管理信息系统进行信息融合。

(二)系统监控部位要求

主要工况参数包括: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。具体要求如下:

1.数据采集和预处理。监控管理系统软件从底层设备控制系统采集数据,这些数据包括模拟变量、数字变量、报警量、I/O地址、对象属性等,将数据转换成数据库所需要的格式,根据需求对数据库进行写操作。

2.监控功能。监控软件中设置风机性能监测系统,实时监测风机负压、全压、流量、全压效率和轴功率等全部气动参数,以及电机轴承温度、风机轴承温度、风机机械振动等机械参数,完成风机综合性能测试。

3.系统运行模拟图动态显示。为使系统内的报警能更快被确定及能更容易分析系统的运行状况,系统通过组态软件提供模拟图动态显示,包括生产厂房的平面图及被控设备的系统示意图。监控系统容许操作员通过菜单的选择、文字的指令或图像而得到不同系统的图形示意图或平面图。有关的图形是动态显示,将压力、温度、流量、状态数据等在图形的正确位置中,不断以实时的数值及状态显示出来。

4.操作界面。在系统内每一个监控点,操作员在操作界面上可以以图形方式或表格方式显示监控点数据。可完成统计报表的查询、打印,实现指定时间、指定设备对历史数据进行查询,并显示数据曲线,以及将操作信息、设备信息、系统运行数据、故障信息建立历史数据库,以便进行分析管理。

二、实时监测与故障诊断系统的组成

该系统由引压装置、各类传感器、变送器、滤配器、数据库、操作台和故障诊断决策系统组成。各环节的设计充分考虑了矿井通风环境的特点,引压装置能防尘堵塞测孔,滤配器对信号进行过滤、缓冲、稳压、限压以保护传感器,并将信号分配至相应的传感器,传感器将负压、差压信号经变送器转换成电信号,操作台接收电信号后,一方面巡回显示各监测参数并输入数据库;另一方面将电信号转换为数字信号,通过通讯线路传到故障诊断决策系统,由故障诊断决策系统处理,最后显示和打印监测结果,并提出处理方案。系统结构如图1所示:

三、现场实时数据与采集

故障诊断智能系统实时数据库中的现场数据必须同时具备实时性和准确性,否则,故障诊断智能系统就会造成误诊和漏诊。无论是误诊还是漏诊,都将造成损失,影响安全生产。这是因为,如果故障诊断智能系统误诊,把正常状态诊断为发生了故障,就会造成不必要的停机;如果故障诊断智能系统漏诊,把发生的故障诊断为正常状态,则真正的故障得不到及时的排除,就会发生重大的生产事故。根据系统的结构和工作特点,进行了认真细致的研究,很好地解决了将现场实时数据及时准确地写入故障诊断智能系统实时数据库这个难题。

故障诊断智能系统诊断故障的准确率不仅取决于智能系统本身的性能,而且取决于通风机异常信号的获取及信号特征的提取。因此,智能系统的设计应是一个系统工程。数据采集方案、数据管理方式、信号分析及特征提取方法均需依据故障诊断系统的需要而定。

四、组合智能故障诊断系统

智能故障诊断系统包括了4种推理引擎和1个专家知识库,如图2所示。4种推理引擎分别是:专家规则推理引擎、模糊逻辑推理引擎、遗传神经网络推理引擎和小波网络分析推理引擎。可以从下列方面来解释系统构成的科学性:

1.人工神经网络的知识处理所模拟的是人的形象思维与创造性思维机制;在人类的自身思维过程中,经验思维、逻辑思维和创造性思维是缺一不可的,并且三者非常巧妙地互相结合而形成一个有机的整体。

2.模糊诊断是根据模糊集合征兆空间与故障状态空间的某种影射关系,由征兆来诊断故障。

3.由于神经网络具有原则上容错、结构拓扑、鲁棒、联

想、推测、记忆、自适应、自学习、并行处理复杂模式的功能,使其能在实际中存在着大量的多故障、多过程、突发性故障、庞大复杂系统的检测与诊断中发挥出较大作用。

4.小波变换具有良好的时频局部化特性和对信号自适应变焦、多分辨率分析的能力,它不需要对象的数学模型,对输入信号的要求较低,计算量也不大,可以进行在线实时故障检测,灵敏度高,克服噪声能力强,小波网络具有对任意函数或信号有良好的逼近性能。

五、结语

矿井通风机智能监控系统在某矿山试用, 从现场使用情况看,效果良好,运行平稳可靠,系统巡回监测,时时控制。当发生异常情况时,系统自动转入诊断模式,并对故障进行识别、分类,容错模块针对不同的故障源和故障特征,对故障进行补偿、削弱和消除。整个过程都在计算机控制下自动进行,同时矿井通风机参数变化过程采用窗口图形显示,为用户提供了一个良好的监视环境,此系统具有一定的推广应用价值。

参考文献

[1]朱海涛,等.羊场湾煤矿通风机监控系统的设计与实现[J].工业控制计算机,2006,(19).

[2]VitturiS.DP-Ethernet:The Prefabs DP Protocol Implemented on Ethernet[J].Computer Communications,2003,26(10).

[3]倪长敏,杨薇可.通风机装置的自动监测系统[J].风机技术,1999,(2).

[4]王耀男.智能控制系统[M].长沙:湖南大学出版社,1996.

作者：杨仙荣