淺談井工礦主通風(fēng)機集中控制系統(tǒng)

高靜，楊碩

（國能和利時信息技術(shù)有限公司，北京 100011）

0 引言

礦井通風(fēng)是指將新鮮空氣輸入礦井下，增加氧氣濃度，以稀釋并排除礦井中有毒、有害氣體和粉塵。礦井通風(fēng)的基本任務(wù)是：供給井下足夠的新鮮空氣，滿足人員對氧氣的需要，沖淡井下有害氣體和粉塵，保證安全生產(chǎn)[1]。主通風(fēng)機自動監(jiān)控系統(tǒng)的安全可靠在煤礦安全生產(chǎn)中起著非常重要的作用。通常，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)有以下幾部分，保證在風(fēng)機發(fā)生事故或者檢修時的安全生產(chǎn)。

（1）地面風(fēng)道閘門:風(fēng)機入口前設(shè)垂直閘門，主要用來調(diào)節(jié)風(fēng)量和倒換風(fēng)機。

（2）通風(fēng)管道:風(fēng)機風(fēng)道處安裝測量差壓、靜壓的氣樣管道及流體溫度傳感器。

（3）風(fēng)門絞車:主要來開關(guān)風(fēng)道閘門。

1 集中監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 監(jiān)控范圍

在主通風(fēng)機集中監(jiān)控系統(tǒng)中，系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)主要包括通風(fēng)機電機，閘閥，風(fēng)門絞車。而主通風(fēng)機是井工礦的重要設(shè)備之一，為了保證煤礦通風(fēng)過程安全可控，需要實時監(jiān)測風(fēng)機進風(fēng)口處靜壓，風(fēng)壓，濕度，一氧化碳濃度、風(fēng)速、風(fēng)量等一系列的參數(shù)[2]，便于設(shè)備的工作狀態(tài)能夠被在線遠程分析和診斷，技術(shù)人員不在現(xiàn)場就可以通過監(jiān)控界面了解生產(chǎn)過程實際情況，幫助現(xiàn)場第一時間解決發(fā)生的問題。詳細監(jiān)控范圍如下：

（1）通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量、風(fēng)速、靜壓、全壓、甲烷濃度等參數(shù)。

（2）實時檢測每臺風(fēng)機的電量參數(shù)：電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)。

（3）風(fēng)機前后軸溫、振動情況。

（4）通風(fēng)系統(tǒng)電氣參數(shù)和設(shè)備運行狀態(tài)參數(shù)等。

（5）風(fēng)門啟停狀態(tài)，以及該設(shè)備之間的自鎖和互鎖狀態(tài)。

1.2 監(jiān)控目標(biāo)

主通風(fēng)機集中控制系統(tǒng)體現(xiàn)“安全可靠，功能完善、實用經(jīng)濟、結(jié)構(gòu)簡單”的設(shè)計原則，并定位于煤礦集中監(jiān)控層和現(xiàn)場監(jiān)控層，完成對主通風(fēng)設(shè)備及其輔助設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)的實時監(jiān)測和控制。并通過可視化界面提供的歷史曲線、數(shù)據(jù)查詢、報警/日志管理等功能，自動分析設(shè)備運行情況，提高煤礦的通風(fēng)能力和抗災(zāi)能力，從而實現(xiàn)主通風(fēng)系統(tǒng)的安全運行自動化水平。

1.3 集中監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)

井工礦主通風(fēng)機集中監(jiān)控系統(tǒng)主要采用典型的3層架構(gòu)，即數(shù)據(jù)采集層、服務(wù)層、界面展示層。數(shù)據(jù)采集層主要提供標(biāo)準工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議驅(qū)動，將主通風(fēng)機的主要設(shè)備和輔助設(shè)備的重要狀態(tài)、關(guān)鍵參數(shù)實時采集到集中監(jiān)控系統(tǒng)中，為實現(xiàn)主通風(fēng)機遠程監(jiān)控提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。其次，通過實時數(shù)據(jù)處理服務(wù)、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)、報警日志服務(wù)等對采集的實時數(shù)據(jù)進行處理、包括壓縮、加密、計算、存儲。同時根據(jù)配置的報警條件實時判斷主通風(fēng)機及輔助設(shè)備是否發(fā)生故障，如果判定發(fā)生故障則對報警內(nèi)容進行實時推送和存儲，同時記錄系統(tǒng)所有的變位日志和操作日志，便于事件分析和追溯。最后通過動態(tài)特性、趨勢曲線、多樣化圖表等生動直觀的人機界面對主通風(fēng)機及其輔助設(shè)備狀態(tài)進行可視化展示。

圖1 主通風(fēng)機集中控制系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)

1.4 主通風(fēng)機自動化控制

本文以礦山通風(fēng)系統(tǒng)典型的礦用防爆對旋軸流式通風(fēng)機為例，根據(jù)煤礦井下通風(fēng)需求，設(shè)計了主通風(fēng)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備程序控制邏輯，并提供可視化操作面板，為實現(xiàn)主通風(fēng)機自動化控制提供便利。

首先集中監(jiān)控系統(tǒng)控制模式包括兩種，即就地控制/遠程控制。就地控制即就地操作箱控制方式選擇開關(guān)置于“就地”位，通過就地操作箱上的起、停按鈕對設(shè)備直接進行現(xiàn)場控制。遠程控制即操作人員得到授權(quán)后可通過集中監(jiān)控平臺部署在現(xiàn)場的客戶端，完成礦井主通風(fēng)機及其輔助設(shè)備的起、停以及運行閉鎖、故障解除等控制。遠程控制和就地控制狀態(tài)的切換需要通過集中控制系統(tǒng)上位機界面上的虛擬轉(zhuǎn)換開關(guān)或者現(xiàn)場的轉(zhuǎn)換開關(guān)的來控制，就地控制模式的控制級別高于遠程控制模式。主通風(fēng)機實現(xiàn)集中控制的前提條件是設(shè)備處于遠程控制模式。

其次，遠程控制模式下，設(shè)備包括三種控制方式，分別是單機控制、半自動控制、全自動控制。其中單機控制模式只能對單個設(shè)備進行控制，半自動控制方式，可以實現(xiàn)對一組設(shè)備的順序控制，而全自動控制能夠?qū)崿F(xiàn)主備風(fēng)機之間的一鍵切換。本文著重介紹后兩種控制模式。

半自動模式下，可對設(shè)備進行程控，以一號風(fēng)機啟動程控為例，啟動順序為1號垂直風(fēng)門->1#蝶閥->通風(fēng)機。通風(fēng)機停止程控順序為啟動的逆過程。詳細過程如下圖所示：

圖2 主通風(fēng)機半自動控制邏輯

全自動控制完成主備通風(fēng)機的一鍵切換，在傳統(tǒng)切換模式下，關(guān)閉1號主通風(fēng)機，待1號主通風(fēng)機停穩(wěn)后，關(guān)閉1號風(fēng)路切換風(fēng)門，打開2號風(fēng)路切換風(fēng)門，再啟動2號主通風(fēng)機[3]。這種切換過程中往往存在的一些問題，第一，由于設(shè)備啟停需要時間，所以切換過程種有一段時間可能導(dǎo)致無風(fēng)，容易造成井下瓦斯超限；第二，如果遇到切換到備用風(fēng)機的同時備用風(fēng)機發(fā)生故障，使得切換失敗，那么需再啟動原風(fēng)機，這個過程也需要一定的時間，這也給井下環(huán)境造成一定的安全隱患[4]。而本文采用的主備風(fēng)機切換方式可以既可實現(xiàn)停機不停風(fēng)，也可避免切機的同時保障上述第二種情況的發(fā)生。

本文設(shè)計的兩臺風(fēng)機的切換方法主要包含三個步驟：

圖3 主通風(fēng)機全自動控制邏輯

第一步：在1號主通風(fēng)機正常運轉(zhuǎn)的前提下，打開2號水平風(fēng)門，并啟動2號主通風(fēng)機（備用主通風(fēng)機），實現(xiàn)兩臺風(fēng)機的熱備[5]。

第二步：1號主通風(fēng)機的垂直風(fēng)門和蝶閥依次關(guān)閉，與此同時打開1號水平風(fēng)門。再逐步打開2號風(fēng)機的垂直風(fēng)門和蝶閥。

第三步：關(guān)閉2號水平風(fēng)門，當(dāng)2號主通風(fēng)機穩(wěn)定運行5分鐘后，停止1號主通風(fēng)機，完成兩臺風(fēng)機的無擾切換。

在此期間，當(dāng)啟動2號主通風(fēng)機時，如果遇到2號風(fēng)機故障，那么直接關(guān)閉2號水平風(fēng)門，停止切換動作，并發(fā)出報警，等待故障復(fù)歸后方可執(zhí)行風(fēng)機的一鍵切換控制。

1.5 報警聯(lián)動

主通風(fēng)機的正常運行是為井下提供安全生產(chǎn)環(huán)境的關(guān)鍵，所以主通風(fēng)機集中控制系統(tǒng)需提供完善的報警機制，包括報警推圖、語音報警、視頻聯(lián)動三個方面。當(dāng)系統(tǒng)檢測到主備通風(fēng)機都發(fā)生故障停止運行5秒后，系統(tǒng)會自動發(fā)出報警“兩臺風(fēng)機停止運行”的語音報警，將通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控主頁面推送至人機界面最前端，并在通風(fēng)界面中顯示“2臺風(fēng)機同時停止”醒目字樣，同時聯(lián)動視頻，彈出通風(fēng)系統(tǒng)對應(yīng)的視頻畫面，便于及時通知用戶當(dāng)前發(fā)生了重大報警，并方便用戶觀察設(shè)備周邊的環(huán)境情況，以便以最快的速度響應(yīng)報警[6]。

圖4 主通風(fēng)機報警監(jiān)控界面

1.6 權(quán)限管理

為了系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)采用基于角色的用戶權(quán)限管理的機制，系統(tǒng)內(nèi)預(yù)先定義好權(quán)限種類，包括狀態(tài)監(jiān)測、用戶管理、遠程控制、報警管理、日志管理、趨勢查詢等，角色和用戶也可以根據(jù)自身需要進行定義。通過限制不同人員的操作權(quán)限，來實現(xiàn)系統(tǒng)的安全。登錄之后操作員擁有自己的訪問級別，同時獲取了相應(yīng)的操作權(quán)限。

圖5 主通風(fēng)機集中控制系統(tǒng)權(quán)限控制原理

同時系統(tǒng)設(shè)定了訪問時間，將用戶對系統(tǒng)的訪問時間和系統(tǒng)內(nèi)錄入的排班計劃進行綁定，當(dāng)訪問時間超過計劃時間后將自動注銷，換班后操作員必須重新登錄后才能對設(shè)備進行控制，否則用戶只能狀態(tài)監(jiān)測[7]。

2 結(jié)語

本文闡述了一種井工礦主通風(fēng)機集中控制系統(tǒng)的應(yīng)用方法，敘述了該系統(tǒng)應(yīng)該具備的基礎(chǔ)功能，通過該系統(tǒng)在井工礦中的實施應(yīng)用能夠完成主通風(fēng)機及其輔助設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控，以及主備風(fēng)機的穩(wěn)定切換，大大提高煤礦的自動化水平。完善的報警機制和權(quán)限控制策略充分保證主通風(fēng)機安全可靠運行，是礦山安全生產(chǎn)的重要手段。到目前為止，該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在多個煤礦，也具備較廣闊的應(yīng)用前景，能夠拓展應(yīng)用至更多的煤礦。