礦井局部通風(fēng)機智能控制系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用分析

郝榮鑫

（潞安化工集團古城煤礦，山西長治046100）

確保巷道工作面的通風(fēng)和防止瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)是礦井巷道工作面的基本要求，確保巷道內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)能夠正常工作，對于保障工作人員的安全和生產(chǎn)效率有重要意義。為確保局部通風(fēng)設(shè)備的正常運行，必須采取更為可靠的監(jiān)視手段，目前有的采取儀表模擬顯示的方法，有的則是使用專門的通風(fēng)裝置進(jìn)行監(jiān)視。目前我國煤礦大多使用模擬儀表，但是使用這種儀表存在許多問題，例如必須設(shè)置專職的工作人員24h進(jìn)行現(xiàn)場值班，并對儀器表板的電子和氣體的濃度進(jìn)行記錄，一旦出現(xiàn)通風(fēng)設(shè)備運轉(zhuǎn)不順暢或出現(xiàn)問題，必須向地面監(jiān)測中心報告，按照現(xiàn)場作業(yè)計劃的指令進(jìn)行換班和維修，這種方法不僅需要大量的人員和資源，而且很可能造成操作上的差錯，既難以保證電力和煤氣資料的實時收集和通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足礦井少人、減人甚至無人的需要。針對某些特殊的通氣機監(jiān)視與監(jiān)測，以達(dá)到通氣設(shè)備的信息化，必須設(shè)計一臺單獨的、功能較強的、具有相應(yīng)的軟件和軟件測試環(huán)境，以達(dá)到通風(fēng)扇的工作狀態(tài)。但是，這種方法的實際操作成本比較高。針對部分使用特殊通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視與監(jiān)測，以達(dá)到通氣設(shè)備的信息化，必須要有一個單獨的、功能相對獨立的、與之相匹配的軟件和硬件測試平臺，以達(dá)到通風(fēng)扇的工作狀態(tài)的實時監(jiān)控。但是，這種方法的實際操作成本比較高[1]。

潞安某礦為了解決礦井通風(fēng)系統(tǒng)功能單一、數(shù)據(jù)信息量少、可靠性差等問題，潞安化工集團研制了KJ1303礦井通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的功能是通風(fēng)監(jiān)控，不僅可以作為一個單獨的系統(tǒng)，而且可以與現(xiàn)有的礦井供電監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行集成。該裝置可實現(xiàn)對局部排風(fēng)器的電力運行狀況的監(jiān)測，并實現(xiàn)對當(dāng)前工作面的風(fēng)量計算統(tǒng)計、當(dāng)前風(fēng)速計算統(tǒng)計、當(dāng)前環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)前環(huán)境濕度數(shù)據(jù)，當(dāng)前氣體環(huán)境濃度數(shù)據(jù)；通過對目前的一氧化碳環(huán)境濃度的分析，結(jié)合實測數(shù)據(jù)，對風(fēng)壓風(fēng)量的變化進(jìn)行了分析，確定了風(fēng)壓風(fēng)量的大小，從而實現(xiàn)了對三個參數(shù)的實時調(diào)整，確保了工作面的有害氣體濃度在安全范圍內(nèi)[2]。在確保安全的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)；同時，該系統(tǒng)還采用了移動電話和視頻圖像與監(jiān)視設(shè)備的連鎖機制，利用APP的管理軟件，可以對整個平臺進(jìn)行全面的監(jiān)測，從而達(dá)到對設(shè)備的自動控制，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可自動實現(xiàn)視頻圖像傳輸與報警功能。

在此基礎(chǔ)上，研制并應(yīng)用了一種新型的局部通風(fēng)口智能控制系統(tǒng)，能夠?qū)ζ溥\行狀況進(jìn)行實時監(jiān)測，保證其正常運行，保證礦井通風(fēng)與安全生產(chǎn)，本系統(tǒng)將各種信息技術(shù)有機地結(jié)合起來，實現(xiàn)了系統(tǒng)的各項功能[3]。在此基礎(chǔ)上開發(fā)和使用了這種新型的局域式通風(fēng)口的智能化控制，可以對其工作狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，確保其正常工作，為礦井的通風(fēng)和安全生產(chǎn)提供了可靠的保障，該系統(tǒng)集成了多種信息技術(shù)，并在系統(tǒng)中實現(xiàn)了相應(yīng)的功能。

1 系統(tǒng)基本架構(gòu)設(shè)計

KJ1303 礦井通風(fēng)系統(tǒng)采用分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對局域通風(fēng)機狀態(tài)、運行參數(shù)及周圍參數(shù)進(jìn)行持續(xù)實時監(jiān)測，并可多方向切換、啟停，具備自動排氣功能，具有一鍵快速送電，單機雙機可實現(xiàn)自動開關(guān)操作。該系統(tǒng)具有完善的功能，操作便捷?？梢砸远喾N可視化的形式將風(fēng)扇的操作數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)展現(xiàn)出來，支持?jǐn)?shù)據(jù)狀態(tài)信息的輸出和打印，可以通過移動客戶端或者WEB進(jìn)行信息的實時監(jiān)控。

該體系包括：遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置、風(fēng)機數(shù)據(jù)收集與轉(zhuǎn)發(fā)分站、礦用隔爆式和本安式真空饋電開關(guān)、煤礦用防爆型和本安型真空電磁起動裝置，礦用防爆和本安型直流穩(wěn)壓電源，礦用本安型氣體傳感器和礦用本安型溫度傳感器，礦用本安型風(fēng)速傳感器，礦用本安型一氧化碳傳感器，礦用本安型震動傳感器，礦井本安型網(wǎng)絡(luò)攝影儀、光線通訊環(huán)網(wǎng)、環(huán)網(wǎng)交換器等主要設(shè)備[4]。圖1為該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

實施后實際系統(tǒng)結(jié)構(gòu)效果如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)效果

2 系統(tǒng)運行原理過程

（1）在當(dāng)?shù)仫L(fēng)機的裝置處裝有煤礦用的本安攝影儀、瓦斯傳感器和溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、一氧化碳傳感器、震動傳感器等等。

（2）礦用本安攝影機主要是通過視頻的形式，實時、直觀地傳送當(dāng)?shù)仫L(fēng)機安裝點的影像資料。

（3）采用氣體傳感器對適用于礦井中0%～4%的CH4含量進(jìn)行實時監(jiān)控，并利用遙控調(diào)節(jié)零點、靈敏度、設(shè)定警報，在甲烷含量超過設(shè)定的警報范圍后，利用該系統(tǒng)進(jìn)行聲光警報。

（4）溫度感應(yīng)器適用于有氣體或煤粉有爆炸性的地方，并且沒有明顯的振動和沖擊，沒有破壞絕緣的腐蝕氣體[5]。

（5）采用風(fēng)速傳感器對礦井下環(huán)境中0.4～15m/s的風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測，并可通過遙控調(diào)節(jié)靈敏度，設(shè)定報警的閾值區(qū)間和報警方式，在風(fēng)速小于下報警值或大于上報警值時，由該傳感器依據(jù)報警方式設(shè)定報警信號，并根據(jù)報警方式設(shè)定報警信號。

（6）一氧化碳傳感器是一種能夠?qū)崟r顯示一氧化碳濃度的傳感器，它可以實時顯示礦井中的一氧化碳濃度，并可與礦井下的監(jiān)測系統(tǒng)相配合。

（7）該系統(tǒng)通過對風(fēng)機在風(fēng)機起動和運轉(zhuǎn)中的機械振動信號進(jìn)行分析，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，由本地風(fēng)機監(jiān)測子系統(tǒng)進(jìn)行分析和傳輸，由地面計算機對其工作狀態(tài)進(jìn)行實時的分析，在發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時及時發(fā)出報警信號。

（8）利用聲光報警系統(tǒng)對當(dāng)?shù)氐耐L(fēng)分站進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)氣體質(zhì)量數(shù)據(jù)異常高，環(huán)境溫度異常高，風(fēng)速數(shù)據(jù)偏高；過高的一氧化碳含量數(shù)據(jù)或檢測到一個傳感終端和切換保護(hù)器終端通信異常、保護(hù)器保護(hù)或報警；當(dāng)出現(xiàn)風(fēng)機振動信號出現(xiàn)故障時，應(yīng)立即啟用聲光報警裝置，并將報警信息發(fā)送至現(xiàn)場的監(jiān)控中心，以便通知現(xiàn)場員工和工作人員，對故障進(jìn)行及時的處置。

（9）主風(fēng)機真空電源開關(guān)/后備風(fēng)扇真空電源開關(guān)，真空雙電源真空電磁起動機開關(guān)，為風(fēng)機供電。該開關(guān)內(nèi)置保護(hù)裝置，可對所攜帶的風(fēng)機設(shè)備進(jìn)行電流、電壓、功率的控制，測量電量、功率因數(shù)等信息，遙控風(fēng)機設(shè)備。收集風(fēng)機設(shè)備的設(shè)備狀況和故障信息，遠(yuǎn)程設(shè)置風(fēng)機設(shè)備的參數(shù)設(shè)置等[6]。

（10）本地風(fēng)機測試分站主做好礦井下各個部位的各個開度、低壓的綜合性防護(hù)，同時實現(xiàn)礦用本安攝影儀、瓦斯傳感器、風(fēng)速傳感器與地面監(jiān)控主站的通訊連接。數(shù)據(jù)通過光線環(huán)網(wǎng)在傳感器與主站之間傳遞，同時接受主站發(fā)送的控制指令。

由于生產(chǎn)廠家的不同，系統(tǒng)內(nèi)部使用的傳感器、繼電保護(hù)器、網(wǎng)絡(luò)攝像機之間的兼容性存在一定的問題，根本原因在于通訊接口和通訊協(xié)議間的差別。為了保障通訊的穩(wěn)定，需要借助檢測分站實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與中轉(zhuǎn)，同時在系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)通訊協(xié)議的統(tǒng)一。該系統(tǒng)包括MOXA型通信管理機、自動切換式逆變電源、光纖轉(zhuǎn)接箱、GSM網(wǎng)絡(luò)交換機等。分站上具有多樣化的通信接口，通信介質(zhì)，具有不同的通信速率。依據(jù)可自定義通訊規(guī)范，可以輕松整合各種收集的終端數(shù)據(jù)或擴充[7]。

（11）KJ1303 礦井內(nèi)的局域式通風(fēng)監(jiān)測裝置，通過地面交換機、入井環(huán)網(wǎng)和交換機網(wǎng)絡(luò)，通過掘進(jìn)機的局域式通風(fēng)探測子臺，用于采集井下所有的氣體傳感器的數(shù)據(jù)。通過對傳感器數(shù)據(jù)終端、饋電開關(guān)集成保護(hù)數(shù)據(jù)終端等數(shù)據(jù)采集，采集到的多通道氣體濃度數(shù)據(jù)和一氧化碳濃度數(shù)據(jù)，SO2濃度數(shù)據(jù)，礦井風(fēng)流壓力數(shù)據(jù)，風(fēng)量數(shù)據(jù)，風(fēng)速資料、環(huán)境溫度資料、環(huán)境濕度資料等，以及風(fēng)機控制電網(wǎng)的實時運行數(shù)據(jù)參數(shù)，并將其自動生成相應(yīng)的實時報表表格、實時圖表。

3 系統(tǒng)實際運行效果

經(jīng)實地測試，從實際的測試數(shù)據(jù)分析，已達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計目的，不僅可以迅速有效地完成對環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸，例如有毒氣體濃度數(shù)據(jù)、電網(wǎng)數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等，而且還可以從地面監(jiān)測中心成功發(fā)布控制指令，同時實現(xiàn)了不同廠家的傳感器、保護(hù)器、攝像裝置數(shù)據(jù)的融合和快速交互，能夠大幅度提升系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的水平（圖3），主要體現(xiàn)在以下幾方面。

圖3 實際運行效果

（1）由于設(shè)備故障以外的原因?qū)е碌耐ｏL(fēng)，在確認(rèn)周邊環(huán)境正常的情況下，可以遠(yuǎn)程控制通風(fēng)裝置工作。

（2）可在地面主臺進(jìn)行風(fēng)機切換試驗、短路測試、漏電測試、遠(yuǎn)距離故障重置等功能。

（3）對掘進(jìn)工作面通風(fēng)機的運行電流、電壓、風(fēng)機與地面的絕緣電阻進(jìn)行了實時監(jiān)測。同時可以根據(jù)檢測參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)工作狀態(tài)和故障狀態(tài)的判斷，并可以遠(yuǎn)程進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定。

（4）實現(xiàn)某一地區(qū)瓦斯氣體濃度、CO含量、溫度的實時監(jiān)控?？蓪諝饬髁康冗M(jìn)行即時監(jiān)測，并與監(jiān)測設(shè)備聯(lián)防聯(lián)控，及時發(fā)現(xiàn)不正常的狀況[8]。

（5）通過對危險氣體的曲線和報表的分析，可以使技術(shù)人員通過風(fēng)量、風(fēng)速、風(fēng)壓等方式，準(zhǔn)確地判斷工作面的設(shè)備狀況；通過分析危險氣體（瓦斯、甲烷、一氧化碳、二氧化硫）的濃度變化，提前預(yù)測危險狀況，并進(jìn)行事故預(yù)測。

（6）地面主站內(nèi)的局域式通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)，可為用戶查詢、瀏覽、打印數(shù)據(jù)等服務(wù)。

（7）裝備有煤礦用本安高清視頻攝像頭，可以通過視頻對變電站的布線進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，對現(xiàn)場進(jìn)行實時的動態(tài)監(jiān)測，并可在突發(fā)事件中與監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行聯(lián)防和控制。

（8）利用OPC或網(wǎng)絡(luò)公布的方式，與整個煤礦的自動控制系統(tǒng)連接，將信息上傳至有關(guān)的主管部門。

（9）可以通過手機APP 實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控，同時可以進(jìn)行系統(tǒng)的遠(yuǎn)程維護(hù)。

（10）系統(tǒng)設(shè)計首先需要確保技術(shù)的先進(jìn)性，需要實現(xiàn)完成的功能，能夠在復(fù)雜的環(huán)境下保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，節(jié)約經(jīng)濟成本，同時需要能夠?qū)崿F(xiàn)升級改造[9]。

4 結(jié)語

通過工程的實施，在地面調(diào)度中心完成了礦井內(nèi)的部分風(fēng)機電氣設(shè)備、礦用本安攝影儀、瓦斯傳感器的安裝遠(yuǎn)距離監(jiān)測和控制溫度、風(fēng)速、一氧化碳、振動等。實現(xiàn)了通風(fēng)系統(tǒng)安全可靠運行，提高效率，節(jié)約人力成本；同時具有使用方便、節(jié)約經(jīng)濟成本等優(yōu)勢。本工程是一項與我國目前的工業(yè)信息化戰(zhàn)略相適應(yīng)的工程，對確保礦井的通風(fēng)口和礦井的通風(fēng)設(shè)備的安全使用有著十分顯著的意義，對礦井的安全生產(chǎn)和礦井的安全管理將發(fā)揮著積極的促進(jìn)作用。