礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究

石鑫

摘 要：通風(fēng)系統(tǒng)作為礦井生產(chǎn)作業(yè)得以順利開展的重要構(gòu)成要素，其主要功能是為井下生產(chǎn)作業(yè)提供新鮮風(fēng)流，并有效處置礦井瓦斯集聚、高溫?zé)岷Φ葐栴}。但是，隨著井下生產(chǎn)作業(yè)的不斷延伸，礦井通風(fēng)系統(tǒng)越來越復(fù)雜多樣，風(fēng)流分配不當(dāng)、風(fēng)阻增大、污風(fēng)循環(huán)等問題不斷出現(xiàn)。一般來說，礦井通風(fēng)控制系統(tǒng)多由PLC控制技術(shù)和變頻裝置構(gòu)成，并由其對(duì)相關(guān)通風(fēng)數(shù)據(jù)開展遠(yuǎn)程監(jiān)控。不過，隨著井下通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜程度的不斷增加，傳統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)已無法適應(yīng)礦井生產(chǎn)發(fā)展需求，因此，探索基于CAN總線技術(shù)的通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)于推動(dòng)礦井更好發(fā)展意義重大。

關(guān)鍵詞：礦井;智能通風(fēng)系統(tǒng);CAN總線

礦井通風(fēng)系統(tǒng)作為井下生產(chǎn)作業(yè)所需新風(fēng)供給設(shè)備和瓦斯、粉塵等問題治理的關(guān)鍵設(shè)備，是影響井下生產(chǎn)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(zhì)條件日益多變的同時(shí)也使得井下通風(fēng)系統(tǒng)日益復(fù)雜，井下風(fēng)流分配不均、通風(fēng)阻力大等問題日益凸顯，對(duì)井下作業(yè)安全構(gòu)成一定威脅。有鑒于此，針對(duì)深部回采中的井下通風(fēng)系統(tǒng)，開展智能化管控，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，是確保礦井通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行安全、改善井下作業(yè)環(huán)境的重要手段，對(duì)于提升礦井綜合效益意義重大。

1 通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

我國礦井通風(fēng)系統(tǒng)的主要通風(fēng)方式是中央并列式，礦井通風(fēng)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(hào)眾多且傳輸距離較短。我國礦井通風(fēng)系統(tǒng)的工作面通風(fēng)方式主要是“U”型通風(fēng)方式，這樣的通風(fēng)方式，必定會(huì)導(dǎo)致上隅角瓦斯積聚和采空區(qū)漏風(fēng)的增加，因此，要求通風(fēng)系統(tǒng)能夠檢測通風(fēng)量，并根據(jù)上隅角的瓦斯、一氧化碳濃度不同，合理調(diào)節(jié)工作面的通風(fēng)量。

1.2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)中通風(fēng)構(gòu)筑物、通風(fēng)設(shè)施的智能化分析

礦井通風(fēng)構(gòu)筑物自動(dòng)化程度很低，具備自動(dòng)化通風(fēng)構(gòu)筑物的礦井總數(shù)不到50%;同時(shí)通風(fēng)風(fēng)窗和風(fēng)門沒有自身監(jiān)控系統(tǒng)，只是采用機(jī)械方式驅(qū)動(dòng)，還需技術(shù)人員手動(dòng)調(diào)試。智能通風(fēng)構(gòu)筑物的驅(qū)動(dòng)力大部分來自風(fēng)壓，這樣可以有效降低設(shè)備的安全認(rèn)證時(shí)間，同時(shí)礦井下設(shè)有壓風(fēng)管路，動(dòng)力來源方便，安裝調(diào)試簡單。但是，目前礦井智能通風(fēng)構(gòu)筑物的研究主要集中在監(jiān)視上，對(duì)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(shí)現(xiàn)了主要通風(fēng)機(jī)的自主控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控，但實(shí)現(xiàn)局部通風(fēng)機(jī)智能控制的礦井總數(shù)不到50%，同時(shí)局部通風(fēng)機(jī)不能與全礦井通風(fēng)系統(tǒng)有效結(jié)合使用，沒有實(shí)現(xiàn)真正的智能化控制。

1.3 采礦企業(yè)對(duì)礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)的功能需求

對(duì)礦井側(cè)風(fēng)站進(jìn)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(cè)風(fēng)站的監(jiān)測參數(shù)主要是通過機(jī)械風(fēng)表和秒表由人工采集，技術(shù)人員將測量的數(shù)據(jù)帶到井上匯總分析，并繪制礦井的通風(fēng)系統(tǒng)圖。這種方法存在測試數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)不符、分析數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)有差距、分析結(jié)果滯后等問題。礦井通風(fēng)系統(tǒng)的自動(dòng)分風(fēng)和配風(fēng)也是采礦企業(yè)迫切需要的功能，智能通風(fēng)系統(tǒng)可以有效地降低通風(fēng)技術(shù)人員的勞動(dòng)量，并可保證通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和測量的準(zhǔn)確性。

2 PLC通風(fēng)控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

在礦井通風(fēng)系統(tǒng)普遍采用PLC技術(shù)之前，多使用繼電控制裝置對(duì)井下通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行管理，這種方式是通過串聯(lián)或并聯(lián)的方法將各個(gè)通風(fēng)設(shè)備相互連接起來，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)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(jìn)行通風(fēng)控制的礦井，必須通過數(shù)量眾多的連線實(shí)現(xiàn)對(duì)井下各通風(fēng)設(shè)備的連接，不僅線路復(fù)雜且觸點(diǎn)繁多，使得線路運(yùn)行的穩(wěn)定性相對(duì)較低;繼電控制系統(tǒng)一旦完成構(gòu)建，往往難以通過調(diào)試改變，不利于后期通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化改良。而將PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用在井下通風(fēng)設(shè)備中，可以有效改善繼電控制的不足之處。常用的通風(fēng)PLC控制系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集/AD轉(zhuǎn)換（模數(shù)轉(zhuǎn)換）模塊、數(shù)據(jù)分析與處理模塊和調(diào)控執(zhí)行模塊部分。

在作業(yè)時(shí)，PLC控制系統(tǒng)的運(yùn)行原理如下：先通過布設(shè)于井下各處的傳感裝置采集井下巷道的風(fēng)量、風(fēng)壓、瓦斯?jié)舛群蜏囟鹊葏?shù)指標(biāo)，隨后經(jīng)EM235模塊編輯、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后，將相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳輸至下位機(jī)進(jìn)行分析處理;將數(shù)據(jù)信號(hào)借助RS485接口傳輸至上位機(jī)配設(shè)的FameView軟件進(jìn)行分析處理，進(jìn)而根據(jù)分析結(jié)果發(fā)出相應(yīng)指令，對(duì)井巷狀態(tài)開展動(dòng)態(tài)響應(yīng)，相關(guān)數(shù)據(jù)下傳至下位機(jī)進(jìn)行處理;依照動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果操控相應(yīng)執(zhí)行模塊發(fā)出的操控指令，進(jìn)而對(duì)井下風(fēng)機(jī)、通風(fēng)構(gòu)筑物等進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，對(duì)井下通風(fēng)進(jìn)行調(diào)整。

3 基于現(xiàn)場總線技術(shù)的智能通風(fēng)控制系統(tǒng)

基于PLC通風(fēng)在生產(chǎn)實(shí)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(shù)的井下通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案[1]。設(shè)計(jì)的新系統(tǒng)包含有數(shù)據(jù)采集、操作運(yùn)行、故障預(yù)警和冗余設(shè)計(jì)部分，各組成部分之間借助覆蓋整個(gè)礦井的工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)，通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)控。

圖為整個(gè)新型智能通風(fēng)控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。該系統(tǒng)運(yùn)行原理為：通過分布井下各處的傳感裝置實(shí)時(shí)收集井下通風(fēng)參數(shù)（設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況、環(huán)境指數(shù)、通風(fēng)量、風(fēng)速、瓦斯?jié)舛鹊龋⑼ㄟ^分布井下的工業(yè)以太網(wǎng)將相關(guān)數(shù)據(jù)快速傳遞至地面遠(yuǎn)程控制中心;遠(yuǎn)程控制中心的智能終端通過對(duì)井下數(shù)據(jù)的智能分析，并比對(duì)預(yù)設(shè)參考值，對(duì)井下通風(fēng)運(yùn)行狀態(tài)做出智能研判，發(fā)出相應(yīng)的操控指令，并通過以太網(wǎng)將相關(guān)指令傳遞至井下控制終端;作業(yè)現(xiàn)場控制終端根據(jù)接收到的命令傳遞至各CAN控制節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)根據(jù)指令操控設(shè)備做出相應(yīng)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的有效調(diào)節(jié)。新設(shè)計(jì)的通風(fēng)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(gòu)成系統(tǒng)的模塊作業(yè)均是相互獨(dú)立的，任何一個(gè)模塊出現(xiàn)功能障礙，不會(huì)對(duì)其他模塊的運(yùn)行造成干擾，使得系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性大幅提高。

整個(gè)系統(tǒng)具備以太網(wǎng)和CAN總線兩套信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，其中，以太網(wǎng)用于現(xiàn)場監(jiān)控裝置和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交互;CAN總線用于現(xiàn)場監(jiān)控裝置對(duì)井下設(shè)備的遠(yuǎn)程操控，有效提升了系統(tǒng)運(yùn)行速率。遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)采用智能分析軟件和模糊控制算法對(duì)井下系統(tǒng)建模并根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測分析，當(dāng)井下出現(xiàn)安全隱患并且現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)難以處理時(shí)，遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)會(huì)及時(shí)向現(xiàn)場主控制器發(fā)送命令，井下報(bào)警系統(tǒng)開始運(yùn)行，及時(shí)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(fēng)機(jī)出現(xiàn)突發(fā)事故時(shí)，備用設(shè)備可以及時(shí)運(yùn)行以保證礦井安全。鑒于井下通風(fēng)線路較長，設(shè)計(jì)的智能系統(tǒng)配設(shè)冗余組件，能夠確保井下出現(xiàn)通風(fēng)意外時(shí)第一時(shí)間對(duì)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行有效調(diào)控，以確保設(shè)備運(yùn)行安全。

4 結(jié)語

綜上所述，所設(shè)計(jì)的新型智能通風(fēng)控制系統(tǒng)不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)測井下通風(fēng)狀態(tài)，還能夠通過對(duì)采集數(shù)據(jù)的綜合分析，自行發(fā)出運(yùn)行操作指令，極大地提升了通風(fēng)運(yùn)行的及時(shí)性和有效性，增強(qiáng)了通風(fēng)安全性。井下通風(fēng)作為礦井生產(chǎn)安全的重要要素，確保其運(yùn)行有效性對(duì)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(guān)問題，在生產(chǎn)中積極組織專業(yè)技術(shù)人員，定期對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，將新型技術(shù)應(yīng)用其中，確保通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行始終有效，為安全生產(chǎn)提供保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]頊利芳，王鳳舞.智能礦井通風(fēng)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].世界有色金屬，2019（19）：10.