礦井局部通風機智能控制系統的設計及應用分析

郝榮鑫

（潞安化工集團古城煤礦，山西長治046100）

確保巷道工作面的通風和防止瓦斯濃度超標是礦井巷道工作面的基本要求，確保巷道內的通風系統能夠正常工作，對于保障工作人員的安全和生產效率有重要意義。為確保局部通風設備的正常運行，必須采取更為可靠的監視手段，目前有的采取儀表模擬顯示的方法，有的則是使用專門的通風裝置進行監視。目前我國煤礦大多使用模擬儀表，但是使用這種儀表存在許多問題，例如必須設置專職的工作人員24h進行現場值班，并對儀器表板的電子和氣體的濃度進行記錄，一旦出現通風設備運轉不順暢或出現問題，必須向地面監測中心報告，按照現場作業計劃的指令進行換班和維修，這種方法不僅需要大量的人員和資源，而且很可能造成操作上的差錯，既難以保證電力和煤氣資料的實時收集和通風系統的穩定運轉，也遠遠無法滿足礦井少人、減人甚至無人的需要。針對某些特殊的通氣機監視與監測，以達到通氣設備的信息化，必須設計一臺單獨的、功能較強的、具有相應的軟件和軟件測試環境，以達到通風扇的工作狀態。但是，這種方法的實際操作成本比較高。針對部分使用特殊通風設備進行監視與監測，以達到通氣設備的信息化，必須要有一個單獨的、功能相對獨立的、與之相匹配的軟件和硬件測試平臺，以達到通風扇的工作狀態的實時監控。但是，這種方法的實際操作成本比較高[1]。

潞安某礦為了解決礦井通風系統功能單一、數據信息量少、可靠性差等問題，潞安化工集團研制了KJ1303礦井通風監控系統，該系統的功能是通風監控，不僅可以作為一個單獨的系統，而且可以與現有的礦井供電監控系統進行集成。該裝置可實現對局部排風器的電力運行狀況的監測，并實現對當前工作面的風量計算統計、當前風速計算統計、當前環境溫度數據，當前環境濕度數據，當前氣體環境濃度數據；通過對目前的一氧化碳環境濃度的分析，結合實測數據，對風壓風量的變化進行了分析，確定了風壓風量的大小，從而實現了對三個參數的實時調整，確保了工作面的有害氣體濃度在安全范圍內[2]。在確保安全的基礎上，實現節能減排目標；同時，該系統還采用了移動電話和視頻圖像與監視設備的連鎖機制，利用APP的管理軟件，可以對整個平臺進行全面的監測，從而達到對設備的自動控制，當系統出現故障時，可自動實現視頻圖像傳輸與報警功能。

在此基礎上，研制并應用了一種新型的局部通風口智能控制系統，能夠對其運行狀況進行實時監測，保證其正常運行，保證礦井通風與安全生產，本系統將各種信息技術有機地結合起來，實現了系統的各項功能[3]。在此基礎上開發和使用了這種新型的局域式通風口的智能化控制，可以對其工作狀態進行實時監控，確保其正常工作，為礦井的通風和安全生產提供了可靠的保障，該系統集成了多種信息技術，并在系統中實現了相應的功能。

1 系統基本架構設計

KJ1303 礦井通風系統采用分層分布式系統結構，對局域通風機狀態、運行參數及周圍參數進行持續實時監測，并可多方向切換、啟停，具備自動排氣功能，具有一鍵快速送電，單機雙機可實現自動開關操作。該系統具有完善的功能，操作便捷?？梢砸远喾N可視化的形式將風扇的操作數據和運行狀態展現出來，支持數據狀態信息的輸出和打印，可以通過移動客戶端或者WEB進行信息的實時監控。

該體系包括：遠程監控裝置、風機數據收集與轉發分站、礦用隔爆式和本安式真空饋電開關、煤礦用防爆型和本安型真空電磁起動裝置，礦用防爆和本安型直流穩壓電源，礦用本安型氣體傳感器和礦用本安型溫度傳感器，礦用本安型風速傳感器，礦用本安型一氧化碳傳感器，礦用本安型震動傳感器，礦井本安型網絡攝影儀、光線通訊環網、環網交換器等主要設備[4]。圖1為該系統的結構示意圖。

圖1 系統結構

實施后實際系統結構效果如圖2所示。

圖2 系統結構效果

2 系統運行原理過程

（1）在當地風機的裝置處裝有煤礦用的本安攝影儀、瓦斯傳感器和溫度傳感器、風速傳感器、一氧化碳傳感器、震動傳感器等等。

（2）礦用本安攝影機主要是通過視頻的形式，實時、直觀地傳送當地風機安裝點的影像資料。

（3）采用氣體傳感器對適用于礦井中0%～4%的CH4含量進行實時監控，并利用遙控調節零點、靈敏度、設定警報，在甲烷含量超過設定的警報范圍后，利用該系統進行聲光警報。

（4）溫度感應器適用于有氣體或煤粉有爆炸性的地方，并且沒有明顯的振動和沖擊，沒有破壞絕緣的腐蝕氣體[5]。

（5）采用風速傳感器對礦井下環境中0.4～15m/s的風速進行監測，并可通過遙控調節靈敏度，設定報警的閾值區間和報警方式，在風速小于下報警值或大于上報警值時，由該傳感器依據報警方式設定報警信號，并根據報警方式設定報警信號。

（6）一氧化碳傳感器是一種能夠實時顯示一氧化碳濃度的傳感器，它可以實時顯示礦井中的一氧化碳濃度，并可與礦井下的監測系統相配合。

（7）該系統通過對風機在風機起動和運轉中的機械振動信號進行分析，并將其轉換成數字信號，由本地風機監測子系統進行分析和傳輸，由地面計算機對其工作狀態進行實時的分析，在發現數據異常時及時發出報警信號。

（8）利用聲光報警系統對當地的通風分站進行監測，發現氣體質量數據異常高，環境溫度異常高，風速數據偏高；過高的一氧化碳含量數據或檢測到一個傳感終端和切換保護器終端通信異常、保護器保護或報警；當出現風機振動信號出現故障時，應立即啟用聲光報警裝置，并將報警信息發送至現場的監控中心，以便通知現場員工和工作人員，對故障進行及時的處置。

（9）主風機真空電源開關/后備風扇真空電源開關，真空雙電源真空電磁起動機開關，為風機供電。該開關內置保護裝置，可對所攜帶的風機設備進行電流、電壓、功率的控制，測量電量、功率因數等信息，遙控風機設備。收集風機設備的設備狀況和故障信息，遠程設置風機設備的參數設置等[6]。

（10）本地風機測試分站主做好礦井下各個部位的各個開度、低壓的綜合性防護，同時實現礦用本安攝影儀、瓦斯傳感器、風速傳感器與地面監控主站的通訊連接。數據通過光線環網在傳感器與主站之間傳遞，同時接受主站發送的控制指令。

由于生產廠家的不同，系統內部使用的傳感器、繼電保護器、網絡攝像機之間的兼容性存在一定的問題，根本原因在于通訊接口和通訊協議間的差別。為了保障通訊的穩定，需要借助檢測分站實現數據的傳輸與中轉，同時在系統內部實現通訊協議的統一。該系統包括MOXA型通信管理機、自動切換式逆變電源、光纖轉接箱、GSM網絡交換機等。分站上具有多樣化的通信接口，通信介質，具有不同的通信速率。依據可自定義通訊規范，可以輕松整合各種收集的終端數據或擴充[7]。

（11）KJ1303 礦井內的局域式通風監測裝置，通過地面交換機、入井環網和交換機網絡，通過掘進機的局域式通風探測子臺，用于采集井下所有的氣體傳感器的數據。通過對傳感器數據終端、饋電開關集成保護數據終端等數據采集，采集到的多通道氣體濃度數據和一氧化碳濃度數據，SO2濃度數據，礦井風流壓力數據，風量數據，風速資料、環境溫度資料、環境濕度資料等，以及風機控制電網的實時運行數據參數，并將其自動生成相應的實時報表表格、實時圖表。

3 系統實際運行效果

經實地測試，從實際的測試數據分析，已達到了預定的設計目的，不僅可以迅速有效地完成對環境監測數據的傳輸，例如有毒氣體濃度數據、電網數據、環境數據等，而且還可以從地面監測中心成功發布控制指令，同時實現了不同廠家的傳感器、保護器、攝像裝置數據的融合和快速交互，能夠大幅度提升系統處理數據的水平（圖3），主要體現在以下幾方面。

圖3 實際運行效果

（1）由于設備故障以外的原因導致的停風，在確認周邊環境正常的情況下，可以遠程控制通風裝置工作。

（2）可在地面主臺進行風機切換試驗、短路測試、漏電測試、遠距離故障重置等功能。

（3）對掘進工作面通風機的運行電流、電壓、風機與地面的絕緣電阻進行了實時監測。同時可以根據檢測參數進行系統工作狀態和故障狀態的判斷，并可以遠程進行參數的設定。

（4）實現某一地區瓦斯氣體濃度、CO含量、溫度的實時監控?？蓪諝饬髁康冗M行即時監測，并與監測設備聯防聯控，及時發現不正常的狀況[8]。

（5）通過對危險氣體的曲線和報表的分析，可以使技術人員通過風量、風速、風壓等方式，準確地判斷工作面的設備狀況；通過分析危險氣體（瓦斯、甲烷、一氧化碳、二氧化硫）的濃度變化，提前預測危險狀況，并進行事故預測。

（6）地面主站內的局域式通風監測系統，可為用戶查詢、瀏覽、打印數據等服務。

（7）裝備有煤礦用本安高清視頻攝像頭，可以通過視頻對變電站的布線進行遠程監測，對現場進行實時的動態監測，并可在突發事件中與監測設備進行聯防和控制。

（8）利用OPC或網絡公布的方式，與整個煤礦的自動控制系統連接，將信息上傳至有關的主管部門。

（9）可以通過手機APP 實現監控系統的遠程管理和監控，同時可以進行系統的遠程維護。

（10）系統設計首先需要確保技術的先進性，需要實現完成的功能，能夠在復雜的環境下保持穩定的工作狀態，節約經濟成本，同時需要能夠實現升級改造[9]。

4 結語

通過工程的實施，在地面調度中心完成了礦井內的部分風機電氣設備、礦用本安攝影儀、瓦斯傳感器的安裝遠距離監測和控制溫度、風速、一氧化碳、振動等。實現了通風系統安全可靠運行，提高效率，節約人力成本；同時具有使用方便、節約經濟成本等優勢。本工程是一項與我國目前的工業信息化戰略相適應的工程，對確保礦井的通風口和礦井的通風設備的安全使用有著十分顯著的意義，對礦井的安全生產和礦井的安全管理將發揮著積極的促進作用。