局部通風(fēng)機智能控制系統(tǒng)研制與應(yīng)用

何順席，張曉遷，龐 洋，李衛(wèi)超，張建設(shè)

（1.冀中能源峰峰煤業(yè)集團(tuán) 大淑村礦，河北 邯鄲 056000；2.上海山源電子科技股份有限公司，上海 201612）

0 引言

對煤礦礦井掘進(jìn)工作面而言，保證掘進(jìn)面通風(fēng)質(zhì)量以及避免瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)是基本的指標(biāo)要求，因此保證掘進(jìn)面的通風(fēng)機正常工作具有十分重要的意義。為了保證局部通風(fēng)設(shè)備的正常工作，需要采用較為可靠的監(jiān)控方式，目前有采用儀表模擬指示的監(jiān)控方式，也有部分采用專用通風(fēng)機監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的方式。國內(nèi)大部分礦井采用模擬儀表方式居多，但也存在很多問題，比如機電管理運行維護(hù)人員需要24 h 不間斷現(xiàn)場值班，定時手動記錄儀表盤電氣數(shù)據(jù)以及瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)通風(fēng)設(shè)備運行不暢或有故障發(fā)生時，需要及時上報地面監(jiān)控站，根據(jù)地面調(diào)度指示進(jìn)行通風(fēng)設(shè)備切換或維護(hù)，此方式不但耗費大量人力物力，還容易出現(xiàn)工作失誤，其電氣及瓦斯數(shù)據(jù)的實時性采集以及通風(fēng)設(shè)備可靠運行也遠(yuǎn)不能達(dá)到礦井少人、減人、甚至無人的要求。對于部分采用專用通風(fēng)機監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)通風(fēng)機檢測信息化的情況，則需要建立一套相對獨立功能單一的專用通風(fēng)機監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)機及其配套的軟硬件檢測環(huán)境，才能實現(xiàn)對通風(fēng)機運行工況的實時監(jiān)測，但該系統(tǒng)實際運行造價相對較高。

針對煤礦井下局部通風(fēng)機監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)功能單一、數(shù)據(jù)信息量不足、可靠性差的缺點，冀中能源峰峰煤業(yè)集團(tuán)大淑村礦聯(lián)合上海山源電子科技股份有限公司專門研發(fā)了KJ1303 煤礦井下局部通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)不但可以作為獨立系統(tǒng)平臺運行，還能夠?qū)崿F(xiàn)與現(xiàn)有煤礦電力安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)平臺（KJ360F 、ZBT-11 等多系列） 的融合。系統(tǒng)能夠?qū)植客L(fēng)機的電氣工作狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)視，還能夠?qū)嵤┎杉?dāng)前工作面通風(fēng)流量的壓力、當(dāng)前風(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)前瓦斯環(huán)境濃度數(shù)據(jù)、當(dāng)前一氧化碳環(huán)境濃度，并根據(jù)所測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合提取判斷風(fēng)壓風(fēng)量風(fēng)速過大或過小，以進(jìn)行實時調(diào)節(jié)三者大小，保證工作面有害氣體環(huán)境濃度處于安全要求水平，在保證安全生產(chǎn)的前提下，同時能達(dá)到降低能源消耗、節(jié)能減排的要求；同時，系統(tǒng)又設(shè)計了移動手機端監(jiān)控和視頻圖像與監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)防聯(lián)動功能，通過手機APP 管理軟件能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控平臺的全部監(jiān)控功能，實現(xiàn)系統(tǒng)故障后的視頻圖像聯(lián)防聯(lián)動及手持機報警等功能。

通過該局部通風(fēng)機智能控制系統(tǒng)研制與應(yīng)用，設(shè)計并實現(xiàn)了對局部通風(fēng)機運行工況的實時監(jiān)測及控制，保證了局部風(fēng)機安全運行，為煤礦井下通風(fēng)及安全生產(chǎn)提供了有力保障，實現(xiàn)了信息化平臺的融合及功能實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)基本架構(gòu)設(shè)計

KJ1303 煤礦井下局部通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)采用分層、分布式系統(tǒng)架構(gòu)，能夠連續(xù)在線監(jiān)測局部通風(fēng)機狀態(tài)、運行參數(shù)和環(huán)境參數(shù)等信息，多方位實現(xiàn)局部通風(fēng)機的切換、啟停、具備自動排瓦斯、一鍵快速送電、單雙機自動切換運行等實用功能。具有功能強大、操作簡單等特點，可將風(fēng)機運行數(shù)據(jù)以圖形畫面、動態(tài)畫面、曲線、趨勢圖、報表等多種形式輸出、支持打印、信息的WEB 發(fā)布及手機客戶端移動監(jiān)視功能。

系統(tǒng)主要由地面遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、局部風(fēng)機數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)發(fā)分站、礦用隔爆兼本安型真空饋電開關(guān)、煤礦風(fēng)機用隔爆兼本安型雙電源真空電磁啟動器，礦用隔爆兼本安型直流穩(wěn)壓電源、礦用本安型瓦斯傳感器、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、礦用本安型振動傳感器、礦用本安型網(wǎng)絡(luò)攝像儀、光線通訊環(huán)網(wǎng)及環(huán)網(wǎng)交換機等設(shè)備組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

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Fig.2 System structure effect

2 系統(tǒng)運行原理過程

（1） 在局部風(fēng)機安裝地點裝設(shè)有礦用本安攝像儀、瓦斯傳感器、溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、一氧化碳傳感器和振動傳感器等。

（2） 礦用本安攝像儀用于以視頻方式實時直觀傳輸局部風(fēng)機安裝點視頻圖像信息。

（3） 瓦斯傳感器用于實時監(jiān)測適煤礦井下環(huán)境0～4%CH4甲烷濃度的測量，可以通過遙控器調(diào)整零點、靈敏度，設(shè)定報警值，當(dāng)甲烷濃度達(dá)到設(shè)定的報警值時，傳感器發(fā)出聲光報警信號。

（4） 溫度傳感器用于有瓦斯或煤塵爆炸危險，但無顯著振動和沖擊、無破壞絕緣的腐蝕性氣體的場所的環(huán)境溫度監(jiān)控。

（5） 風(fēng)速傳感器用于煤礦井下環(huán)境0.4～15 m/s 風(fēng)速的測量，可以通過遙控器調(diào)整靈敏度，設(shè)定上、下報警值及報警模式，當(dāng)風(fēng)速低于下報警值或高于上報警值時，傳感器根據(jù)報警模式設(shè)置控制發(fā)出聲光報警信號。

（6） 一氧化碳傳感器用于監(jiān)測煤礦井下巷道環(huán)境一氧化碳的模擬量傳感器，能就地顯示一氧化碳的濃度數(shù)據(jù)并能與井下監(jiān)控系統(tǒng)配套使用。

（7） 振動傳感器用于將風(fēng)機啟動或運行過程中的電機機械振動信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，傳送給局部風(fēng)機監(jiān)控分站進(jìn)行處理上傳，有地面服務(wù)器電腦判斷風(fēng)機運行工況，數(shù)據(jù)異常時發(fā)出告警信號。

（8） 聲光報警器用于局部風(fēng)機檢測分站在檢測到瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)異常偏高、環(huán)境溫度數(shù)據(jù)異常偏高、風(fēng)速數(shù)據(jù)過低或過高、一氧化碳濃度數(shù)據(jù)過高、或檢測到個傳感器終端以及開關(guān)保護(hù)器終端通訊異常、保護(hù)器保護(hù)或告警、風(fēng)機振動信號異常等情況下啟動聲光報警器，并將告警信息實時上傳地面服務(wù)器，提醒就地工作人員或遠(yuǎn)程工作人員及時處理異常運行情況。

（9） 主風(fēng)機真空饋電開關(guān)/備用風(fēng)機真空饋電開關(guān)、雙電源真空電磁啟動器開關(guān)用于給風(fēng)機提供動力電源。開關(guān)內(nèi)置保護(hù)器，用于實現(xiàn)對所帶風(fēng)機設(shè)備的電流、電壓、功率、電量、功率因數(shù)等信息的測量、對風(fēng)機設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、對風(fēng)機設(shè)備的設(shè)備狀態(tài)及故障信息采集、對風(fēng)機設(shè)備的遠(yuǎn)程設(shè)定參數(shù)修改等。

（10） 局部風(fēng)機檢測分站主要完成井下區(qū)域通風(fēng)點各開關(guān)低壓綜合保護(hù)器、礦用本安攝像儀、瓦斯傳感器、溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、一氧化碳傳感器和振動傳感器等數(shù)據(jù)終端經(jīng)過光線環(huán)網(wǎng)與地面監(jiān)控主站進(jìn)行實時數(shù)據(jù)上傳或控制命令的下發(fā)。因為每個傳感器廠家、或繼電保護(hù)器廠家、或網(wǎng)絡(luò)攝像機等通訊終端的通訊方式、通訊介質(zhì)、通訊速率、通訊規(guī)約等可能都不一樣，因此檢測分站成為必不可少上通下達(dá)的中轉(zhuǎn)通道，并將各類數(shù)據(jù)進(jìn)行有效融合為統(tǒng)一規(guī)約。分站內(nèi)置有MOXA 工業(yè)級通信管理機、自主自動切換型逆變工作電源、光纖轉(zhuǎn)接盒、千兆環(huán)網(wǎng)交換機等。通過多種類型的通信接口、通信介質(zhì)、通信速率、以及可定制化的通信規(guī)約，能夠方便的融合各類采集終端數(shù)據(jù)或擴展。

（11） 主服務(wù)器/ 備用服務(wù)器安裝有KJ1303煤礦井下局部通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)，通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)地面交換機、入井環(huán)網(wǎng)以及交換機網(wǎng)絡(luò)、并通過掘進(jìn)面局部通風(fēng)機檢測分站接收井下各氣體傳感器數(shù)據(jù)終端、振動傳感器數(shù)據(jù)終端、饋電開關(guān)微機綜合保護(hù)器數(shù)據(jù)終端等上傳的多路瓦斯甲烷氣體濃度數(shù)據(jù)、一氧化碳?xì)怏w濃度數(shù)據(jù)、二氧化硫氣體濃度數(shù)據(jù)、礦井風(fēng)流壓力數(shù)據(jù)、風(fēng)量數(shù)據(jù)、風(fēng)速數(shù)據(jù)、環(huán)境溫度數(shù)據(jù)、環(huán)境濕度數(shù)據(jù)、風(fēng)機控制開關(guān)的電網(wǎng)電壓、電流、用電電量的峰平谷數(shù)據(jù)，并自動記錄形成對應(yīng)的實時報表表格、實時曲線圖。

通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)在記錄數(shù)據(jù)形成表格曲線的同時，自動分析是否有有害氣體濃度超標(biāo)數(shù)據(jù)，分析是否需要調(diào)節(jié)風(fēng)量、風(fēng)速大小，以及通風(fēng)機電氣控制開關(guān)是否運行正常、是否有漏電情況發(fā)生等，并可從通風(fēng)機監(jiān)控主站下發(fā)控制報文進(jìn)行風(fēng)量、風(fēng)速的調(diào)節(jié)、通風(fēng)機電氣控制開關(guān)的分閘退出、或合閘投入等控制操作。

3 系統(tǒng)實際運行效果

通過該系統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)試后實際運行，基本實現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)，不但實現(xiàn)了井下所需檢測數(shù)據(jù)如有害氣體(瓦斯甲烷氣體、一氧化碳?xì)怏w、二氧化硫氣體)濃度數(shù)據(jù)、電網(wǎng)數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等的快速高效上傳，同時也實現(xiàn)了能夠從地面監(jiān)控主站順利下發(fā)控制命令，實現(xiàn)了不同傳感器廠家、不同保護(hù)器廠家、不同攝像記錄儀廠家數(shù)據(jù)的高度融合，數(shù)據(jù)智能處理分析能力得到極大提高（圖3），主要體現(xiàn)在以下幾方面。

圖3 實際運行效果Fig.3 Actual operation effect

（1） 非設(shè)備故障停風(fēng)，在確保環(huán)境條件允許前提下，能夠遠(yuǎn)程快速恢復(fù)通風(fēng)。

（2） 能夠從地面主站遠(yuǎn)程實現(xiàn)風(fēng)機切換試驗、短路試驗、漏電試驗及遠(yuǎn)程故障復(fù)位。

（3） 實時采集掘進(jìn)工作面通風(fēng)機控制開關(guān)的運行電流、電壓、通風(fēng)機輸電電纜對大地的絕緣電阻值、運行狀態(tài)、故障信息等參數(shù)，并實現(xiàn)遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定和修改。

（4） 區(qū)域通風(fēng)點瓦斯?jié)舛取⒁谎趸己?、溫度、風(fēng)量等信息實時監(jiān)控，并能與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)防聯(lián)動，對異常情況進(jìn)行報警。

（5） 通過有害氣體曲線及報表分析，方便技術(shù)人員判斷掘進(jìn)工作面設(shè)備狀態(tài)工作情況，通過風(fēng)量、風(fēng)速、風(fēng)壓、有害氣體（瓦斯甲烷氣體、一氧化碳?xì)怏w、二氧化硫氣體） 濃度變化情況，事先判斷危機情況發(fā)生的可能性，進(jìn)行故障預(yù)演。

（6） 地面主站局部通風(fēng)機監(jiān)控軟件提供故障報警信息的存儲記錄，能夠進(jìn)行查閱、瀏覽和打印。

（7） 配備的礦用本安型高清網(wǎng)絡(luò)攝像機對局扇配電點進(jìn)行遠(yuǎn)程圖像監(jiān)視，實時動態(tài)了解現(xiàn)場情況，并能夠?qū)崿F(xiàn)事故情況下與監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)防聯(lián)動功能。

（8） 通過OPC 接口或web 發(fā)布功能接入全礦井自動化系統(tǒng)，將信息上傳到相關(guān)管理部門。

（9） 能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的手機APP 管理功能及系統(tǒng)廠家遠(yuǎn)程云服務(wù)、云維護(hù)功能。

（10） 系統(tǒng)設(shè)計遵循技術(shù)先進(jìn)、功能齊全、性能穩(wěn)定、使用方便、節(jié)約成本的原則，并為今后的發(fā)展、擴建、改造等因素留有擴充的余地。

4 結(jié)語

通過項目建設(shè)，實現(xiàn)了在地面調(diào)度中心對井下局部通風(fēng)機電氣設(shè)備、礦用本安攝像儀、瓦斯傳感器、溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、一氧化碳傳感器和振動傳感器等的遠(yuǎn)程監(jiān)控檢測與控制，達(dá)到了保證局部通風(fēng)系統(tǒng)的安全可靠運行、提高效率、節(jié)約人力成本、使用方便、減少經(jīng)濟(jì)成本等預(yù)期目標(biāo)。該項目符合當(dāng)前煤礦信息化產(chǎn)業(yè)政策，對保證井下掘進(jìn)工作面通風(fēng)機供電及通風(fēng)系統(tǒng)實現(xiàn)安全運行具有良好的效果，對提高煤炭行業(yè)安全生產(chǎn)能起到重要的作用，能夠有效防止由于各種故障帶來的安全隱患或其它類型事故。