煤礦井下生產管理綜合信息平臺研究設計

林宇 楊梅

成都工業學院，中國·四川 成都 611730

1 引言

在現有的設計方案中，一般采用的是救生艙方案來進行安全避難，但普通救生艙只在突發災害發生時供作業人員避難使用，在無災害時不能為生產提供有效的價值[1]，這樣在無形中給生產企業帶來了負擔，也占用了有效的資源。為了解決生產中的實際問題，論文設計了一種能夠在無災害時為井下作業提供信息采集、通訊保障、生產指揮、集中調度、信息交換控制平臺的功能；在突發災害發生時，能為作業人員提供生命安全保障的生產管理綜合信息平臺。

2 綜合信息平臺整體設計與功能實現

2.1 綜合信息平臺設計概述

當生產正常時，該平臺主要收集三方面的信息：生產信息、安全生產監控信息、生產指揮調度通訊信息。當發生災害時，該平臺起到救生的作用。

2.2 煤礦井下生產自動化信息平臺主要功能

在無災害時，能實現通風管理、基站管理、泵機組管理、井下（艙外）各數據采集與處理、射頻信息管理（人員定位）、生產信息記錄和匯總、報警功能、數據庫管理、信息交換功能、生產調度功能、配電管理、設備管理、傳感器信息管理等。

在發生災害時（救生艙功能），系統能夠實現艙體具有足夠的強度、剛度、密閉性和防沖擊性。艙門具有電動手動兩種開閉方式，艙內人員具備坐、臥兩種休息方式，具有空氣凈化、二氧化碳分解能力，供氧能力，保濕、保壓、保溫調節功能，完整的照明體系，報警燈警示功能，通訊功能，冗余智能控制功能，冗余供電功能，多種傳感器參量數據采集處理功能，向艙外排水排氣功能，實時監控功能，排泄物和廢棄物以及死體的封包處理功能，醫療的自我救助和心理輔助功能。此外，還可以設置一鍵啟動，具有按鈕少、智能化程度高的特點。

3 基于SCADA 軟件信息平臺的系統設計

3.1 礦區展示面設計

3.1.1 礦區剖面展示

通過SCADA 軟件對整個礦區進行仿真設計，簡單展示礦區的周邊狀況和礦用移動式救生艙的停放位置。救生艙距離采掘區1000m，隨著采掘深度的延伸而向前移動[2]。

3.1.2 礦區系統圖

該設計的控制仿真畫面包含兩個圖，礦區正常工作時，顯示的是井下系統圖，可顯示井下各個設備的運行狀況，方便監控人員了解井下系統的運行狀況。當發生危險情況時，逃生人員進入生活艙，按下一鍵啟動按鈕后，畫面就會出現救生艙系統圖，能夠了解救生艙內各設備的運行狀況，讓監控人員對艙內逃生人員的環境有大致了解。

3.2 硬件救生艙設計

3.2.1 生活艙

逃生人員進入生活艙后，按下一鍵啟動按鈕。救生艙各個設備開始運行，為逃生人員提供一個可以生存72h 以上等待救援的環境[3]。下部分為座椅，一側放有兩組冗余電池組，當外部供電線路斷開時，可以為直流屏提供足夠的電能。另一側放有足夠的壓縮干糧和飲用水，座椅上面有兩塊可以打開放下的睡板，供艙內人員休息。

生活艙內部裝有大量的氣體傳感器，將檢測到的氣體含量傳入PLC，PLC 經過計算比較等操作，來控制艙內相關設備和調節閥的狀態，使艙內環境形成一個適合人員生存的動態平衡狀態。照明燈和開關艙門可以由艙內人員根據情況自行操作，靠近過渡艙艙門的位置有一個空氣凈化器，可以吸收空氣中的部分有害氣體和去除空氣中的異味。

3.2.2 過渡艙

過渡艙設有一個水泵和一個空氣泵，當過渡艙有積水時，可以打開過渡艙門，讓水經小水泵強制打出；當艙內壓力過大或空氣凈化系統無法吸收的有害氣體含量過高時，由PLC控制空氣泵向外部排氣，為防止外部水壓或氣壓過大，保護人員的安全，水泵和氣泵均設有單向閥。過渡艙內的滅火器和防毒面罩，在發生小型災害或在救生艙出現問題時，均可以使用。

3.2.3 設備艙

設備艙是整個井下系統的核心，IPC 和PLC、變頻器均鎖在柜子里，不允許被任意修改；其主要由空氣凈化系統，控制系統，供電系統，廢物處理系統，醫療系統與尸體處理系統組成；設備艙設有一個備用的排氣口，防止過渡艙排氣口被堵塞時，造成艙內壓力過大和有害氣體不能被排出的情況發生。

紅色十字的醒目醫療包，可以為艙內人員提供簡單的基本醫療救助，若有人不幸遇難，尸體停放室可以將尸體封裝停放，防止腐爛讓細菌增長而危害存活者。

抽屜式馬桶采用與飛機內馬桶相似的原理，排泄物全部封裝打包，并放入廢棄物收集箱。

3.2.4 救生艙艙頂

頂部分布有管道和LED 照明燈，在過渡艙和設備艙頂部，均有可以向內打開的逃生門。

3.2.5 氣體凈化系統

通過生活艙吸風扇和軸流式風機的共同作用，生活艙氣體由管道進入設備艙的氣體凈化裝置，首先經過飽和Ca(OH)2溶液，可以吸收部分有毒氣體、煙霧及大量的CO2。

液氮和液氧，分別過緩沖閥、氣動三件套和調節閥經一級混合后，在軸流式風機的動力下，再與被凈化后的空氣充分混合，通過分子篩送入生活艙。

3.2.6 救生艙供電系統

如果外部線路沒有損壞，則救生艙由低壓變電站提供的電能經直流屏供救生艙內設備運行，如有外部線路損壞，兩組冗余電池組進行無縫連接，嚴格保證艙內人員的安全。

3.2.7 救生艙通訊設備

救生艙通訊采用有線與無線并存的模式，可視電話、顯示器、觸摸屏分別可以起到通訊、心理安慰和觀察艙內參數的作用，分布在生活艙中，并且生活艙的攝像頭也可以通過網絡將艙內的畫面送至地面[4]。

3.3 安全巷道整體設計

3.3.1 巷道圖

其所設計的仿真畫面主要顯示救生艙停放的具體位置，以及艙壁上的射頻器對人員的掃描情況。

3.3.2 災害逃生圖

其仿真畫面顯示的是當發生不同的災害時，報警系統和人員撤離的情景。

3.3.3 巷道通風系統

正常情況下，由主風機、中繼扇和局扇實現井下的正壓風；當發生災害時，主風機反轉，除風管里的軸流式風機照常運轉外，其余風機停止運行，此時，井下的壓力瞬間小于常態的壓力，由正常情況下的出風口進風，形成一種氣流定向、穩定的負壓風，與外界貫通而不是僅僅在空間內進行內循環。

3.3.4 巷道電力系統

井下供電由地面線路→高壓變電站→低壓變電站，再通過配電柜傳送至各個設備。

3.3.5 巷道通訊系統

在每個有效范圍內的拐角處設置無線網絡基站，以保證井下無線網絡的正常運行。

3.3.6 巷道水系統

集水坑泵機組將抽出的水，經兩級泥漿泵送至水廠，地面泥漿泵可由水廠中的工作人員，根據情況抽到地面。同時，地面供水站，將干凈水經水管送至井下，供工作區噴射高壓水使用。

3.4 工作區

3.4.1 礦井工作區

礦井工作區是對工作區和配電板的總體展示，該畫面顯示了工作區各設備的運行狀況和主要參數

3.4.2 采掘區

采掘區由綜合采煤機鉆頭將每層打碎，通過溜槽式刮板運輸機和皮帶運輸機運至集煤器，再由集煤器電動門閥控制，讓采集的煤送至煤車。

3.4.3 工作區集水坑

集水坑泵機組主副水泵均采用兩級調速，由液位傳感器將采集來的液位值傳送給IPC，在由IPC 控制變頻器調節泵機組的轉速。

3.5 監測系統

3.5.1 艙內變量監測

監測畫面顯示救生艙內各氣體的平均值和有害氣體的峰值，并且以每秒一次的頻率記入Access 數據庫（需建立ODBC 數據源DSN=lishi，其關聯的數據表為：艙內變量）（當一鍵啟動沒有觸發時，即傳感器沒有工作，所以數值為0，也不會記入數據庫）。

3.5.2 巷道監測

畫面主要是對巷道、采掘區、掘進區的主要氣體含量平均值和巷道內主要設備的運行狀況。

3.5.3 數據庫查詢

數據庫查詢，可以查詢關聯至Access 數據庫中的內容，該系統中調用了King View 提供的KVADODB Gird class 控件。

3.6 報表系統

3.6.1 歷史數據報表

先在組合框中選擇所要查詢的區域，點擊查詢后，會出現該區域可以查詢的變量值，然后選擇開始和結束時間等，即可以查詢出這個時間段內的歷史數值，見圖1。

圖1 歷史數據報表

3.6.2 報警系統

報警系統具有實時報警、歷史報警和報警查詢的功能，報警查詢可以根據想要查詢結果的不同進行升序和降序排列。

3.7 趨勢曲線

3.7.1 實時趨勢曲線

在右側的組合框中選擇所要查詢的實時曲線區域，在下面的曲線中則會自動出現所選區域的實時曲線，見圖2。

圖2 實時趨勢曲線

3.7.2 歷史趨勢曲線

先在組合框中選擇所要查詢的區域，然后點擊設置查詢時間，選擇起止時間和查詢間隔后，在趨勢曲線中就會出現相應的歷史曲線。另外，可以進行用戶、管理員登陸、注銷，以及打開導航窗和系統退出等操作[5]，見圖3。

圖3 歷史趨勢曲線

4 結語

本設計實現了一機多能，達到了節約能源的功效，使救生艙不會因為沒有災害的發生而無用武之地，率先實現了有災害和無災害的工作模式，為企業減少了經濟負擔，為作業人員提供了安全保障，極大地增大了普通救生艙的市場應用前景。與SCADA 強大的圖形功能和數據采集功能相結合，極大地增強了組態畫面的真實感，使工程效果更加逼真、可信。設計內容符合市場需求和本次大賽創新性的要求，是一個具有高度可行性的設計方案。