礦井智能通風系統(tǒng)優(yōu)化研究

石鑫

摘 要：通風系統(tǒng)作為礦井生產作業(yè)得以順利開展的重要構成要素，其主要功能是為井下生產作業(yè)提供新鮮風流，并有效處置礦井瓦斯集聚、高溫熱害等問題。但是，隨著井下生產作業(yè)的不斷延伸，礦井通風系統(tǒng)越來越復雜多樣，風流分配不當、風阻增大、污風循環(huán)等問題不斷出現(xiàn)。一般來說，礦井通風控制系統(tǒng)多由PLC控制技術和變頻裝置構成，并由其對相關通風數據開展遠程監(jiān)控。不過，隨著井下通風系統(tǒng)復雜程度的不斷增加，傳統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)已無法適應礦井生產發(fā)展需求，因此，探索基于CAN總線技術的通風監(jiān)控系統(tǒng)，對于推動礦井更好發(fā)展意義重大。

關鍵詞：礦井;智能通風系統(tǒng);CAN總線

礦井通風系統(tǒng)作為井下生產作業(yè)所需新風供給設備和瓦斯、粉塵等問題治理的關鍵設備，是影響井下生產作業(yè)安全的重要環(huán)節(jié)。特別是近些年，隨著礦井回采作業(yè)深度的不斷增加，礦井回采地質條件日益多變的同時也使得井下通風系統(tǒng)日益復雜，井下風流分配不均、通風阻力大等問題日益凸顯，對井下作業(yè)安全構成一定威脅。有鑒于此，針對深部回采中的井下通風系統(tǒng)，開展智能化管控，實現(xiàn)精準的實時監(jiān)控，是確保礦井通風系統(tǒng)運行安全、改善井下作業(yè)環(huán)境的重要手段，對于提升礦井綜合效益意義重大。

1 通風系統(tǒng)應用現(xiàn)狀

1.1 礦井通風系統(tǒng)現(xiàn)狀

我國礦井通風系統(tǒng)的主要通風方式是中央并列式，礦井通風系統(tǒng)監(jiān)控基站的密集區(qū)主要在井底車場附近，這里信號眾多且傳輸距離較短。我國礦井通風系統(tǒng)的工作面通風方式主要是“U”型通風方式，這樣的通風方式，必定會導致上隅角瓦斯積聚和采空區(qū)漏風的增加，因此，要求通風系統(tǒng)能夠檢測通風量，并根據上隅角的瓦斯、一氧化碳濃度不同，合理調節(jié)工作面的通風量。

1.2 礦井通風系統(tǒng)中通風構筑物、通風設施的智能化分析

礦井通風構筑物自動化程度很低，具備自動化通風構筑物的礦井總數不到50%;同時通風風窗和風門沒有自身監(jiān)控系統(tǒng)，只是采用機械方式驅動，還需技術人員手動調試。智能通風構筑物的驅動力大部分來自風壓，這樣可以有效降低設備的安全認證時間，同時礦井下設有壓風管路，動力來源方便，安裝調試簡單。但是，目前礦井智能通風構筑物的研究主要集中在監(jiān)視上，對控制功能的研究較少，距離真正的智能化還有不小的差距。在我國采礦企業(yè)中，大型礦井基本實現(xiàn)了主要通風機的自主控制和遠程監(jiān)控，但實現(xiàn)局部通風機智能控制的礦井總數不到50%，同時局部通風機不能與全礦井通風系統(tǒng)有效結合使用，沒有實現(xiàn)真正的智能化控制。

1.3 采礦企業(yè)對礦井智能通風系統(tǒng)的功能需求

對礦井側風站進行合理有效的監(jiān)測與管理是采礦企業(yè)最需要的功能之一，但是，目前側風站的監(jiān)測參數主要是通過機械風表和秒表由人工采集，技術人員將測量的數據帶到井上匯總分析，并繪制礦井的通風系統(tǒng)圖。這種方法存在測試數據和實際數據不符、分析數據與實際數據有差距、分析結果滯后等問題。礦井通風系統(tǒng)的自動分風和配風也是采礦企業(yè)迫切需要的功能，智能通風系統(tǒng)可以有效地降低通風技術人員的勞動量，并可保證通風系統(tǒng)的實時監(jiān)控和測量的準確性。

2 PLC通風控制系統(tǒng)優(yōu)點

在礦井通風系統(tǒng)普遍采用PLC技術之前，多使用繼電控制裝置對井下通風設備進行管理，這種方式是通過串聯(lián)或并聯(lián)的方法將各個通風設備相互連接起來，進而實現(xiàn)調控。但其在使用中存在諸多不足之處，最為明顯的有通過繼電控制裝置進行通風控制的礦井，必須通過數量眾多的連線實現(xiàn)對井下各通風設備的連接，不僅線路復雜且觸點繁多，使得線路運行的穩(wěn)定性相對較低;繼電控制系統(tǒng)一旦完成構建，往往難以通過調試改變，不利于后期通風系統(tǒng)的優(yōu)化改良。而將PLC控制系統(tǒng)應用在井下通風設備中，可以有效改善繼電控制的不足之處。常用的通風PLC控制系統(tǒng)包含數據采集/AD轉換（模數轉換）模塊、數據分析與處理模塊和調控執(zhí)行模塊部分。

在作業(yè)時，PLC控制系統(tǒng)的運行原理如下：先通過布設于井下各處的傳感裝置采集井下巷道的風量、風壓、瓦斯?jié)舛群蜏囟鹊葏抵笜耍S后經EM235模塊編輯、模數轉換和數據存儲后，將相關數據信息傳輸至下位機進行分析處理;將數據信號借助RS485接口傳輸至上位機配設的FameView軟件進行分析處理，進而根據分析結果發(fā)出相應指令，對井巷狀態(tài)開展動態(tài)響應，相關數據下傳至下位機進行處理;依照動態(tài)響應結果操控相應執(zhí)行模塊發(fā)出的操控指令，進而對井下風機、通風構筑物等進行遠程操控，對井下通風進行調整。

3 基于現(xiàn)場總線技術的智能通風控制系統(tǒng)

基于PLC通風在生產實際使用中存在的不足，研發(fā)了一套全新的基于CAN總線技術的井下通風網絡設計方案[1]。設計的新系統(tǒng)包含有數據采集、操作運行、故障預警和冗余設計部分，各組成部分之間借助覆蓋整個礦井的工業(yè)以太網進行數據傳輸，同時，通過CAN總線進行數據調控。

圖為整個新型智能通風控制系統(tǒng)構成示意圖。該系統(tǒng)運行原理為：通過分布井下各處的傳感裝置實時收集井下通風參數（設備運轉情況、環(huán)境指數、通風量、風速、瓦斯?jié)舛鹊龋⑼ㄟ^分布井下的工業(yè)以太網將相關數據快速傳遞至地面遠程控制中心;遠程控制中心的智能終端通過對井下數據的智能分析，并比對預設參考值，對井下通風運行狀態(tài)做出智能研判，發(fā)出相應的操控指令，并通過以太網將相關指令傳遞至井下控制終端;作業(yè)現(xiàn)場控制終端根據接收到的命令傳遞至各CAN控制節(jié)點，這些節(jié)點根據指令操控設備做出相應的動作，從而實現(xiàn)對通風系統(tǒng)的有效調節(jié)。新設計的通風控制系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)，具備很多優(yōu)勢：構成系統(tǒng)的模塊作業(yè)均是相互獨立的，任何一個模塊出現(xiàn)功能障礙，不會對其他模塊的運行造成干擾，使得系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性大幅提高。

整個系統(tǒng)具備以太網和CAN總線兩套信息傳輸網絡，其中，以太網用于現(xiàn)場監(jiān)控裝置和遠程監(jiān)控中心的數據交互;CAN總線用于現(xiàn)場監(jiān)控裝置對井下設備的遠程操控，有效提升了系統(tǒng)運行速率。遠程監(jiān)控計算機采用智能分析軟件和模糊控制算法對井下系統(tǒng)建模并根據現(xiàn)有數據對整個運行系統(tǒng)進行預測分析，當井下出現(xiàn)安全隱患并且現(xiàn)有通風系統(tǒng)難以處理時，遠程監(jiān)控計算機會及時向現(xiàn)場主控制器發(fā)送命令，井下報警系統(tǒng)開始運行，及時提醒井下工作人員撤離;冗余系統(tǒng)是為了保證礦井的正常工作而建立的，在主要通風機出現(xiàn)突發(fā)事故時，備用設備可以及時運行以保證礦井安全。鑒于井下通風線路較長，設計的智能系統(tǒng)配設冗余組件，能夠確保井下出現(xiàn)通風意外時第一時間對各個系統(tǒng)進行有效調控，以確保設備運行安全。

4 結語

綜上所述，所設計的新型智能通風控制系統(tǒng)不僅可以實時監(jiān)測井下通風狀態(tài)，還能夠通過對采集數據的綜合分析，自行發(fā)出運行操作指令，極大地提升了通風運行的及時性和有效性，增強了通風安全性。井下通風作為礦井生產安全的重要要素，確保其運行有效性對礦井綜合效益的提升意義重大。因此，礦井管理者必須高度重視相關問題，在生產中積極組織專業(yè)技術人員，定期對礦井通風系統(tǒng)進行升級改造，將新型技術應用其中，確保通風系統(tǒng)的運行始終有效，為安全生產提供保障。

參考文獻：

[1]頊利芳，王鳳舞.智能礦井通風安全監(jiān)控系統(tǒng)設計與應用[J].世界有色金屬，2019（19）：10.