無人值守礦井主通風機技術的應用與分析

王瑞雄

（西山煤電杜兒坪煤礦，山西 太原 030022）

主通風機被稱為礦井肺腑，通過制造流動的空氣向礦井輸送新鮮空氣，并將井下粉塵、瓦斯等有毒有害氣體向地面排放，是煤礦井上井下空氣流通的動力來源。為了保障主通風機的正常運行，通常在機房留有值班人員，觀察主通風機的運行狀態、實現現場操作和處理緊急事件等。為了執行國家提出的建設智慧礦山和少人無人礦山的相關文件，實現礦井通風機機房無人值守，杜兒坪煤礦引進應用了一套無人值守礦井主通風機監控系統[1-5]。

1 系統結構

通風機無人值守系統是基于 “分散控制”和“集中信息管理”的三層結構，如圖1 所示。現場測量與控制層通過屏蔽電纜與中央管理層連接，中央管理層通過光纖與遠程監控層連接。

1.1 現場測量與控制層

設備包括風速風壓傳感器等各類型傳感器、智能巡檢儀、PLC、攝像頭等。這些設備對開關柜、通風機、勵磁柜的參數和狀態進行采集。控制設備在中央管理層和遠程監控層的指令作用下，完成對風機和風門的控制。如通過電磁閥調節風門開度、備用風機倒機等。

1.2 中央管理層

由工業計算機、數據采集與通信裝置和UPS電源組成。數據采集與通信裝置通過RS485 與測量和控制層的PLC 相連，通過MODBUS 協議接收數據，并在顯示屏上顯示。開關柜上的綜合保護裝置留有RS485 接口，可以將開關的狀態、電流、電壓等信息上傳至數據采集與通信裝置。

1.3 遠程監控層

由監控計算機和視頻監控主機組成，這些主機通過光纖與中央管理層連接，工作人員無需前往現場即可了解主通風機運行的全部信息。工作人員在中央控制室的視頻監控主機上查看通風機機房視頻和聲音，在遠程控制時了解設備的實時狀態，實現通風機房完全封閉。

2 系統功能

上位機系統的功能為顯示下位機上傳的各項風機運行參數，在中央控制室遙控通風機的啟停、風門的啟停，在風速、風壓、環境溫度、電機繞組溫度等參數達到設定值時發出報警信號，提醒工作人員處理。

除上述基本功能外，在上位機上還能調取歷史數據，打印數據報表等。

3 工作原理

通風機無人值守系統結構如圖2 所示，分為監控系統和視頻系統，監控系統以數據采集與通信裝置為核心，溫濕度傳感器、煙霧傳感器和風量傳感器將現場數據傳輸至模擬量輸入模塊，一方面，通信裝置將這些數據發送給24 口交換機，控制臺監控主機通過交換機獲取現場數據； 另一方面，交換機通過光纖收發器將這些電信號轉化為光信號，通過光纖發送至機電隊監控室的光纖收發器，再轉送給監控主機。視頻系統的結構相對簡單，各路高清攝像頭直接接入交換機，類似監控系統，也通過光纖傳送至機電隊監控室的視頻主機，在顯示器上顯示出來。機電隊監控室和地面主通風機房分別放置的兩臺上位機均為工業級計算機，該計算機使用MCGS 軟件進行組態，將現場傳送的數據顯示在屏幕上，并存儲在硬盤上，根據需要還可以進行相應的數據處理，在超過限值時還能發出警報。

圖2 風門開度控制程序流程

圖3 風機倒機程序流程

4 程序控制

無人值守方案是用提前編輯的固定程序來處理礦井主通風機運行過程中的所有事件，內容包括正常運行時各傳感器采集的風量、風速、溫度等參數的正常范圍，運行主風機故障時倒機控制程序，風門開度閉環控制程序，電機軟啟動程序等。

4.1 風門閉環控制程序

從風門的機械結構來說，其開啟和關閉的動作不是瞬時間完成的，需要短時間的傳動，從主通風機轉速到達指定轉速到井下風速達到相應風速也需要一定的時間。因此風門采用滯后的閉環控制。在啟動通風機前，將風門打開一定的高度，以此確保啟動時的負載不是最大，電機啟動完成后，在一段延時后再檢測風量和風速，根據此時風量和風速的平均值決定風門的開閉，如此反復進行調節，直到風量達到要求。

4.2 運行主通風機故障時倒機的控制程序

故障前1#主通風機正常運行，2#主通風機作為備用。在1#主通風機出現故障且通風機房無人值守的情況下，故障倒機程序應能夠自動完成1#主通風機停車，2#號備用通風機投入運行的操作，相應地如果2#主通風機在運行時故障，程序也能完成所對應的倒機操作。PLC 接收到1#通風機故障停車信號后，對所有高低壓斷路器狀態進行檢查，檢查順序依次為：高壓進線、高壓控制低變、高壓換向柜、低壓進線、風門接觸器、UPS 電源，保證2#通風機供電正常。檢查供電電源正常后，發出關閉1#風門的動作指令，并且檢測1#風門的開閉狀態，當1#風門關閉后，發出打開2#風門的動作指令，提升2#風門數秒之后啟動2#通風機，通風機啟動1 分鐘后采集風量風速，讀取一組數據后求取平均值，與滿足安全要求的設定值進行比較，如果不滿足要求，則繼續提升2#風門，如果滿足要求，就清除故障信息，等待接收下一次故障信息。

5 應用效果

主通風機無人值守系統應用于實際后，取得了明顯的經濟效益。一是減少了主通風機的電能消耗，主扇風機的轉速能實現無級調速，根據現場井下溫度、濕度、風速、風量等信息選擇最佳轉速，在井下環境和電能消耗之間找到了平衡； 在進行倒機操作時，可以實現電機軟起動，避免產生沖擊電流； 相較于額定轉速模式，變頻調速運行模式下，主通風機可節約電能一半左右。二是主通風機房無需人員值守，系統可自動根據檢測數據自動調節風門和風機轉速，確保井下環境符合安全要求，特殊情況下工作人員在機電隊監控室即可完成觀察和控制。

表1 無人值守系統改造前后經濟效益對比

6 結語

目前國家對礦山行業提出智慧化和無人化的發展要求，煤礦井下、地面等多個工作場景都在執行少人甚至無人的工作模式。杜兒坪煤礦對礦井主通風機無人值守系統進行了設計和分析，經實際應用后，取得了良好經濟效益和技術效益。