遠程集中控制技術在調節(jié)通風系統(tǒng)風壓平衡中的應用

王劍波 周 偉 吳冷峻 賈安民

(1.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦,山東 萊州 261442；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山 243000；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

遠程集中控制技術在調節(jié)通風系統(tǒng)風壓平衡中的應用

王劍波1周 偉2，3吳冷峻2，3賈安民2，3

(1.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦,山東 萊州 261442；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山 243000；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

圍繞三山島金礦深井開采中出現(xiàn)的兩礦區(qū)系統(tǒng)風壓不平衡問題，采用通風系統(tǒng)遠程集中控制技術、風機變頻技術以及井下通風參數(shù)監(jiān)測技術，對分布于井下各處機站的風機及主要通風巷道的風流風壓參數(shù)進行計算機遠程集中監(jiān)測監(jiān)控。在保證系統(tǒng)總風量達到設計要求的基礎上，通過對兩礦區(qū)主回風機站風機運行頻率適時綜合調控，各貫通處流動風量由90.60 m3/s減少至13.6 0 m3/s，有效緩解了兩礦區(qū)之間污風相互串聯(lián)影響。通風遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運行為加快推進礦山數(shù)字化建設進程邁出堅實一步。

遠程集中控制技術 風機變頻技術 風壓平衡 礦山數(shù)字化建設

三山島金礦是我國第一個從事大陸架濱海礦床地下開采的硬巖礦山，目前開采的礦體大部分位于海水以下，主要生產(chǎn)礦區(qū)西山礦區(qū)、新立礦區(qū)設計均采用豎井和斜坡道聯(lián)合開拓，盤區(qū)上向分層充填采礦法開采，礦山設計生產(chǎn)能力8 000 t/d。西山礦區(qū)通風系統(tǒng)采用主斜坡道、主豎井、進風井進風，兩翼南、北風井回風的對角抽出式通風方式。新立礦區(qū)采用中部副井、混合井和措施井進風，東、西兩端回風井出風的兩翼抽出式通風方式。

1 兩礦區(qū)貫通處風流情況

近年來，隨著礦山生產(chǎn)規(guī)模逐年擴大，主要作業(yè)中段逐步延深、生產(chǎn)布局發(fā)生變化，西山和新立兩礦區(qū)在-150、-240、-330、-420、-600 m等中段貫通，原本就多中段、大范圍開采的2個比較復雜的通風系統(tǒng)實際上成為1個更為復雜的通風系統(tǒng)。兩礦區(qū)貫通處通風情況具體為：①-150 m水平貫通處風量26.87 m3/s，風向為西山礦區(qū)至新立礦區(qū)；②-240 m水平貫通處風量4.21 m3/s，風向為西山礦區(qū)至新立礦區(qū)；③-320 m水平貫通處風量31.09 m3/s，風向為新立礦區(qū)至西山礦區(qū)；④-420 m水平貫通處風量3.70 m3/s，風向為新立礦區(qū)至西山礦區(qū)；⑤-600 m水平貫通處風量24.73 m3/s，風向為新立礦區(qū)至西山礦區(qū)(-600 m水平聯(lián)巷封閉完好，主要從盲豎井和卸礦站漏入)。

貫通巷道相互流動總風量為90.60 m3/s，兩礦區(qū)在相互貫通大巷之間的風壓平衡問題如果不妥善解決，其中1個系統(tǒng)的污風將影響另外1個系統(tǒng)，造成污風串聯(lián)及短路漏風問題，進而嚴重影響到整個井下生產(chǎn)作業(yè)能否安全順利進行。

2 通風系統(tǒng)遠程集中控制技術研究

隨著計算機網(wǎng)絡通訊技術以及變頻驅動技術日益成熟，計算機遠程集中監(jiān)控技術和變頻調速技術用于井下多機站通風系統(tǒng)，不僅使多機站通風系統(tǒng)成為名副其實的可控式通風系統(tǒng)，而且具有顯著的節(jié)能效果。由于三山島金礦多機站通風系統(tǒng)的風機數(shù)量多，而且分布在井下的廣大區(qū)域內，因而風機的控制與管理非常不便，管理人員不能隨時了解全礦風機的運行狀況，也不能根據(jù)生產(chǎn)需要隨時對某些風機進行開停及調速控制，以最大限度地節(jié)約通風能耗[1]。

2.1 通風系統(tǒng)機站風機分布情況和監(jiān)控范圍

2.1.1 西山礦區(qū)

南風井-150 m回風機站維持現(xiàn)狀，運行1臺DK54-8-№27風機(主扇)，電機功率2×280 kW，降壓啟動。

北風井-150 m回風機站，運行1臺DK46(CII)-8-№28風機(主扇)，電機功率2×400 kW，變頻啟動。

2.1.2 新立礦區(qū)

西回風井-165 m水平回風機站，運行1臺DK62-10-№32風機(主扇)，電機功率2×450 kW，變頻啟動。

東回風井-165 m水平回風機站，運行1臺BDK62-8-№26風機(主扇)，電機功率2×250 kW，降壓啟動。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)方案

隨著計算機技術和網(wǎng)絡通訊技術突飛猛進的發(fā)展，應用于工業(yè)現(xiàn)場的計算機監(jiān)控系統(tǒng)也日益普遍和完善。根據(jù)三山島金礦井下通風系統(tǒng)的實際情況，經(jīng)過對各種控制方式的分析比較，監(jiān)控系統(tǒng)采用以工控計算機、Ethernet通訊控制柜、遠程I/O控制柜和Ethernet、RS-485通訊網(wǎng)絡為核心的遠程集中監(jiān)控技術，對全礦的4個主回風機站共4臺風機進行遠程集中監(jiān)控。

2.2.1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成及原理

整個系統(tǒng)由設在地表調度室的主控計算機通過Ethernet網(wǎng)絡采用TCP/IP協(xié)議與設在井下的Ethernet通訊控制柜進行通訊。Ethernet通訊控制柜將通訊數(shù)據(jù)轉換為符合DCON協(xié)議的數(shù)據(jù)，通過RS-485網(wǎng)絡與設在井下風機站控制硐室的遠程I/O控制柜進行通訊。遠程I/O控制柜根據(jù)主控機的指令完成風機的啟停、變頻調速控制，同時完成對風機電流、運行頻率、風量風壓參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測，并將結果傳回主控計算機。主控計算機對收到的數(shù)據(jù)進行分析處理，將風機的運行狀態(tài)和各種監(jiān)測數(shù)據(jù)以圖形(動畫)和文字方式顯示在主控機屏幕上[2]。

2.2.2 監(jiān)控系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡布線

根據(jù)井下機站位置、井巷分布情況、服務年限及現(xiàn)有通訊網(wǎng)絡等條件，確定監(jiān)控系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡拓撲結構及網(wǎng)絡布線。分別在西山礦區(qū)、新立礦區(qū)調度室內設置通風監(jiān)控主機，可實現(xiàn)通風監(jiān)控系統(tǒng)全部功能。在礦部總調度室設監(jiān)視計算機，可瀏覽全礦通風系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)[6]。

通風監(jiān)控系統(tǒng)主干網(wǎng)絡通訊介質采用鎧裝單模光纜，從通訊控制柜到機站內的遠程I/O控制柜通訊網(wǎng)絡采用RS-485通訊電纜，通訊網(wǎng)絡布線如監(jiān)控系統(tǒng)方案圖1所示。

(1)西山礦區(qū)。通訊光纜由設在西山礦區(qū)地表調度室的光纖收發(fā)器經(jīng)管纜井下到-150 m水平，經(jīng)回風巷進入南風井-150 m水平回風機站的1#Ethernet通訊控制柜，從1#通訊柜分出1路RS-485通訊電纜進入本機站的遠程I/O控制柜；同時1#Ethernet通訊控制柜分出1路Ethernet通訊光纜，沿-150m水平大巷沿北進入北風井回風機站的2#Ethernet通訊控制柜從2#Ethernet通訊控制柜分出1路RS-485通訊電纜進入本機站的遠程I/O控制柜。

(2)新立礦區(qū)。通訊光纜由設在新立礦區(qū)地表調度室的光纖收發(fā)器經(jīng)措施井下到-150 m水平，經(jīng)-150 m東大巷進入東風井-150 m水平回風機站的3#Ethernet通訊控制柜，從3#Ethernet通訊柜分出1路RS-485通訊電纜進入本機站的遠程I/O控制柜；從3#Ethernet通訊柜分出1路通訊光纜沿-150 m大巷向西進入西風井-150 m水平回風機站4#Ethernet通訊控制柜，從4#Ethernet通訊柜分出1路RS-485通訊電纜進入本機站的遠程I/O控制柜。

圖1 通風監(jiān)控系統(tǒng)方案布置

3 系統(tǒng)風壓平衡關鍵技術研究

通過將新立礦區(qū)和西山礦區(qū)2個既相互聯(lián)系又相對獨立的通風系統(tǒng)統(tǒng)一整合為1個復雜的多機站通風系統(tǒng)，在各自保持其通風方式和機站設置條件下，分析研究其相互間風流影響關系，解決三山島金礦兩礦區(qū)貫通中段風流互相影響風壓不平衡問題。

研究的關鍵技術在于計算機網(wǎng)絡通訊技術、風機變頻技術、井下風流與風壓參數(shù)監(jiān)測控制技術以及它們之間的有機結合形成的成套技術從而對兩礦區(qū)貫通處巷道風壓進行實時監(jiān)控調節(jié)[3]。其主要難點在于自主開發(fā)與計算機網(wǎng)絡通訊技術、風機變頻調控技術及井下風流與環(huán)境參數(shù)監(jiān)測技術有機結合的適用于礦山井下惡劣環(huán)境下的先進穩(wěn)定可靠的控制單元以及監(jiān)控系統(tǒng)軟件，形成井下通風遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)成套技術及裝置，實現(xiàn)井下通風遠程集中監(jiān)控，提升礦山通風管理水平和通風效果，改善工人工作環(huán)境，預防職業(yè)病發(fā)生，保證礦山安全生產(chǎn)以及通風節(jié)能降耗。

風速傳感器安裝在兩礦區(qū)-150、-240、-330、-420、-600 m貫通巷道測風點的巷道中心高度，并采用細鋼絲固定，安裝位置要避開巷道斷面不規(guī)則以及滲水位置，以提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性及風速傳感器的使用壽命[4]。差壓傳感器安裝在兩礦區(qū)貫通巷道兩幫，盡量避開巷道滲水位置，差壓傳感器含有正負兩個感應孔，正負感應孔與正負兩段導壓軟管連接。正段導壓軟管沿巷道通過風墻布置，首端位置置于-150、-240、-330、-420、-600 m貫通巷道測風點前10～15 m處的巷道中心高度并用細鋼絲固定，使導壓軟管的端部與風流方向垂直，采集傳導風機出風口風流靜壓。負段導壓軟管沿巷道布置，末端位置置于測風點后5～10 m處的巷道中心高度并用細鋼絲固定，使導壓軟管的端部與風流方向垂直，采集傳導兩礦區(qū)貫通巷道風流靜壓。根據(jù)伯努利方程原理，當正負兩段導壓軟管的測點處巷道斷面相同且標高一樣時，出口靜壓減去進口靜壓即得到風機的全壓，直接通過差壓傳感器讀取。為了提高導壓軟管的使用壽命，導壓軟管選用耐腐蝕、耐油污的軟管[5]。差壓傳感器、風速傳感器均與PLC控制系統(tǒng)連接。PLC控制系統(tǒng)對風速、全壓數(shù)據(jù)進行記錄、存儲與處理，以穩(wěn)定運行時間內靜壓差的平均值作為兩礦區(qū)貫通巷道的全壓，穩(wěn)定運行時間內風速的平均值作為-150、-240、-330、-420、-600 m貫通巷道的風速。

通過RS-485網(wǎng)絡與設在井下機站控制硐室的遠程I/O控制柜以及變頻器相連，形成計算機通訊網(wǎng)絡進行通訊。I/O控制柜根據(jù)主控機的指令對變頻器進行控制，完成風機的啟停及調速控制，并對風機運行電流、運行頻率進行監(jiān)測。同時通過傳感器對主要進回風巷道的風流參數(shù)及大氣環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測，并將結果傳回主控計算機，調控原理見圖2。

主控計算機通過交換機及Ethernet網(wǎng)絡采用TCP/IP協(xié)議與設在井下的Ethernet通訊控制柜相連進行通訊。Ethernet通訊控制柜將通訊數(shù)據(jù)轉換為符合DCON協(xié)議的數(shù)據(jù)。整個系統(tǒng)是適應礦山井下條件的硬件組成，由主控計算機、交換機、Ethernet通訊控制柜、遠程I/O控制柜、分線箱、中繼器、傳感器、變頻器和Ethernet(以太網(wǎng))、RS-485通訊網(wǎng)絡組合構成[2]。

圖2 通風系統(tǒng)運行參數(shù)調控原理圖

根據(jù)三山島金礦井下開采現(xiàn)狀，對主要回風機站巷道的基礎數(shù)據(jù)進行了調查與數(shù)據(jù)整理，建立了回風機站風機基礎數(shù)據(jù)表和回風機站原始數(shù)據(jù)表等通風網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫模型，見表1、表2。

通過多(級)機站通風軟件對方案進行系統(tǒng)通風效果計算機網(wǎng)絡模擬解算，將4個回風機站風機運行頻率在35～50 Hz范圍內取值，代入解算程序依次模擬、比較，西山礦區(qū)南回風井和北回風井回風機站風機運行頻率取為45 Hz，新立礦區(qū)西回風井回風機站風機運行頻率取為38 Hz，東回風井回風機站風機運行頻率取為47 Hz時，系統(tǒng)總風量為752.24 m3/s，見表3，滿足設計風量(745 m3/s)要求，兩礦區(qū)-150、-240、-330、-420、-600 m中段貫通巷風量合計為8.52 m3/s。

多(級)機站通風軟件計算機網(wǎng)絡模擬解算結果具體為：

(1)西山南回風井-150 m水平回風機站，運行1臺DK54-8-№27(2×280 kW/臺)風機，葉片角度45°/40°。運行頻率45 Hz，機站風量149.58 m3/s，實耗功率485.23 kW，機站效率67%。

表1 回風機站風機基礎數(shù)據(jù)表

表2 回風機站原始數(shù)據(jù)表

表3 回風機站參數(shù)計算結果表

(2)西山新北回風井-150 m水平回風機站，安裝1臺DK46(CII)-8-№28(2×400 kW/臺)風機，葉片角度為45°/40°。運行頻率45 Hz，機站風量229.43 m3/s，實耗功率766.97 kW，機站效率65%。

(3)新立西回風井-165 m水平回風機站，安裝1臺DK62-10-№32(2×450 kW/臺)風機，葉片角度為45°/40°。運行頻率38 Hz，機站風量239.86 m3/s，實耗功率749.92 kW，機站效率84%。

(4)新立東回風井-165 m水平回風機站，運行1臺BDK62-8-№26(2×250 kW/臺)風機，葉片角度為45°/40°。運行頻率47 Hz，機站風量88.37 m3/s，實耗功率280.28 kW，機站效率74%。

運用通風系統(tǒng)遠程計算機集中監(jiān)控技術在地表調度室對三山島金礦兩礦區(qū)主要回風機站風機運行變頻進行綜合調控，風機運行頻率調為模擬值后，分析由貫通巷道設置的傳感器傳回主控計算機的風流參數(shù)。兩礦區(qū)貫通處風流情況具體為：①-150 m水平貫通處風量5.26 m3/s，風向為西山礦區(qū)至新立礦區(qū)；②-240 m水平貫通處風量4.21 m3/s，風向為西山礦區(qū)至新立礦區(qū)；③-320 m水平貫通處風量2.19 m3/s，風向為新立礦區(qū)至西山礦區(qū)；④-420 m水平貫通處風量0.35 m3/s，風向為新立礦區(qū)至西山礦區(qū)；⑤-600 m水平貫通處風量1.59 m3/s，風向為新立礦區(qū)至西山礦區(qū)。貫通巷道相互流動總風量為13.60 m3/s(理論模擬值為8.52 m3/s)，兩礦區(qū)風壓基本達到平衡，見表4。

表4 通風遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 結 論

(1)通風遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)成套裝置及技術先進，布線簡單，其通訊控制系統(tǒng)模塊化，通訊網(wǎng)絡分區(qū)化，具有投資省、故障率低、運行穩(wěn)定可靠、系統(tǒng)維護簡單、可擴展性強等優(yōu)點。

(2)多機站通風系統(tǒng)的計算機遠程集中監(jiān)控，達到了提升礦山通風管理水平和通風效果，改善工人工作環(huán)境，間接減少與預防職業(yè)病發(fā)生率，保證礦山安全生產(chǎn)，實現(xiàn)通風節(jié)能降耗等目的，礦山通風系統(tǒng)節(jié)能10%以上。

(3)采用風機變頻調速技術，在滿足設計總風量要求的同時，各貫通處流動風量由90.60 m3/s減少至13.60 m3/s，有效緩解了兩礦區(qū)之間污風相互串聯(lián)影響，通風遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運行為加快推進礦山數(shù)字化建設進程邁出堅實一步。

[1] 貢鎖國，洪候山，黃 欣，等.多級機站通風計算機集中監(jiān)控系統(tǒng)[J].金屬礦山，2002(4)：49-52. Gong Suoguo，Hung Houshan，Huang Xin，et al．Multi-level computer centralized monitoring station ventilation system[J].Metal Mines，2002 (4)：49-52.

[2] 賈安民．井下多級機站通風監(jiān)控與節(jié)能技術研究[J]．金屬礦山，2012(6)：113-119． Jia Anmin．Research multilevel underground station ventilation monitoring and energy saving technology[J].Metal Mines，2012 (6)：113-119.

[3] 蘆景英．礦山機電設備遠程控制技術的應用[J]．科技資訊，2012(25)：136-137． Lu Jingying.Application of mining electrical equipment remote control technology[J].Science & Technology Information，2012 (25)：136-137.

[4] 袁楚明，陳幼平，周祖德.機械制造設備遠程監(jiān)控與故障診斷技術[J].機械與電子，2011，4(2)：54-57. Yuan Chuming，Chen Youping，Zhou Zude.Remote monitoring and fault diagnosis technology machinery and manufacturing equipment[J].Machinery and Electronics，2011,4 (2)：54-57.

[5] 王 強，段晨東.機電設備遠程監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理[J].計算機工程與應用，2010，1(9)：208-211. Wang Qiang，Duan Chendong.Data electrical equipment remote monitoring and fault diagnosis system management[J].Computer Engineering and Applications，2010,1 (9)：208-211.

[6] 郭建華.機電設備故障診斷技術的發(fā)展概況及遠程診斷方法研究[J].重慶工學院學報，2012，16(4)：28-30. Guo Jianhua.Survey of research and development of mechanical and electrical equipment fault diagnosis technology and remote diagnostic method[J].Journal of Chongqing Institute of Technology，2012,16 (4)：28-30.

(責任編輯 石海林)

Application of Centralized Remote Control Technology in the Balance Regulation of the Ventilation System Air Pressure

Wang Jianbo1Zhou Wei2，3Wu Lengjun2，3Jia Anmin2,3

(1.SanshandaoGoldMine，ShandongGoldMining(Laizhou)Co.，Ltd.，Laizhou261400，China;2.SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo.，Ltd.，Maanshan243000，China；3.HuaweiNationalEngineeringResearchCenterofHighEfficiencyCyclicUtilizationofMetalMineralResourcesCo.，Ltd.，Maanshan243000，China)

Around the unbalance of air pressure appeared in two mining areas during deep mining of Sanshandao Gold Mine，such techniques as the remote centralized control technology of ventilation systems，the fan inverter technology and the underground ventilation parameter monitoring technology were adopted to realize the remote centralized monitor on the fans distributed in each underground fan station and the airflow pressure parameters at the main ventilation roadway.Based on the total amount of air meeting the design requirements，the air flow at each run-through was reduced from 90.60 m3/s to 13.60 m3/s through comprehensively regulating the frequency of fans at main return air fan station in two mining areas.By this method，cross pollution of the air between the two mines can be effectively alleviated.The stable running of the remote centralized ventilation monitoring system starts a solid step forward in accelerating the process of building the digital mine digitization.

Centralized remote control technology，F(xiàn)an inverter technology，Pressure balance，Construction of digital mine

2015-01-20

王劍波(1962—)，男，高級工程師。

TD725

A

1001-1250(2015)-04-282-05