地下鐵礦通風系統(tǒng)設計優(yōu)化與改造

解利俊 王思潮 徐天偉

摘? 要：針對石人溝鐵礦井下生產延伸導致的通風系統(tǒng)不能滿足通風質量要求、未實現(xiàn)三級通風系統(tǒng)的遠程集中控制和監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)電控未聯(lián)網等問題，本文做了風機站布局調整、通風機站遠程集控改造、監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化等方面的系列研究，取得通風系統(tǒng)覆蓋至井下生產最低中段-210m水平、在地表調度室集中監(jiān)測與控制風機啟停和監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)電控聯(lián)入工業(yè)以太網的效果。

關鍵詞：通風；監(jiān)測監(jiān)控；集中控制；自動化

石人溝鐵礦三期工程井下采礦采用兩翼對角抽出式的通風系統(tǒng)，三級機站通風模式，利用三期副井、斜坡道作為進風通道，南回風井、北回風井作為回風通道。Ⅰ級風站在-180m水平7號、8號、9號、10號、11號天井聯(lián)絡道處各設一臺通風機，通風機型號為K40-8-NO.14型；Ⅱ級機站設在-60m水平南、北回風井聯(lián)絡道，南二級風機站安裝K40-8-NO.23型通風機1臺，北二級風機站安裝K40-8-NO.22型通風機2臺；Ⅲ級機站設在南、北回風井井口，南風井采用DK45-6-NO.19型通風機4臺；北風井采用DK45-6-NO.20型通風機4臺。

1.研究背景

隨著生產過渡期采礦工程的延伸，井下新增-210 m中段作為-180 m中段的生產延續(xù)，原通風系統(tǒng)不能滿足延伸生產需要，必須對現(xiàn)有通風系統(tǒng)進行優(yōu)化。

三級通風機站風機不能實現(xiàn)遠程集中控制啟停及狀態(tài)監(jiān)測。主要原因是一級風站風機均為現(xiàn)場啟動柜采用直接啟動，無法實現(xiàn)遠程控制啟停與監(jiān)測。其中二級、三級通風機控制柜前期已進行了PLC控制改造，已具備遠程控制啟停功能[1]。

通風監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)落后。現(xiàn)場監(jiān)測監(jiān)控設備為獨立系統(tǒng)，僅能采集風速，風壓傳感器采用頻率輸出信號，礦山網絡控制中心不能對電氣控制部分的數(shù)據(jù)進行讀取監(jiān)測。調度室監(jiān)測后臺軟件陳舊，僅為圖表顯示，人機界面可視化水平低，調度人員不能直觀觀測到數(shù)據(jù)異常情況。現(xiàn)場有毒有害氣體監(jiān)測不完善，不能滿足井下環(huán)境監(jiān)測的需要。

2.通風系統(tǒng)的設計與改造方案

2.1 風機布局調整情況

Ⅰ級風站在-180m水平7號、9號、10號、15號天井聯(lián)絡道處各設一臺通風機，其中7號、9號天井聯(lián)絡道通風機型號為K40-8-NO.14型，10號、15號天井聯(lián)絡道通風機型號為FK NO.14型通風機，在-195m水平和-210m水平13號天井聯(lián)絡道處各設一臺通風機，-195m水平通風機型號為K40-6-NO.9型，-210m水平通風機型號為FK NO.14型；Ⅱ級機站設在南、北回風井聯(lián)絡道，南風井采用K40-8-NO.23型通風機1臺，北風井采用K40-8-NO.22型通風機2臺；Ⅲ級機站設在南、北回風井井口，南風井采用DK45-6-NO.19型通風機4臺；北風井采用DK45-6-NO.20型通風機4臺。

冬季在副井和輔助斜坡道利用空氣加熱器和防凍一體機對入井空氣進行加熱，預熱到+2℃再送入井下。

-180m至-210m中段開采：-180m中段的新鮮風流經三期副井、斜坡道進入井下區(qū)域，其中由三期副井進入的新鮮風流經-180m中段運輸巷道、穿脈運輸巷道、天井聯(lián)絡道、進風天井進入需風工作面，由斜坡道進入的新鮮風流經斜坡道聯(lián)絡道、沿脈巷道、穿脈巷道進入需風工作面，從兩條路徑需風工作面返回來的污風經各穿脈回風天井、-60m回風平巷，從地表南、北風井抽出。

-210m中段的新鮮風流由三期副井、斜坡道經進風天井（-180m～-210m）及采區(qū)斜坡道進入-210m中段需風工作面。7號、9號天井為進風天井，并在-180m水平天井聯(lián)絡道處安裝通風機，利用10號、13號、15號通風天井作為-210m中段的進風天井，并在-180m水平10號、15號通風天井聯(lián)絡道處安裝通風機，在-195m水平和-210m水平13號通風天井聯(lián)絡道處安裝通風機。

-180m有軌運輸中段的新鮮風流由三期副井、斜坡道進入井下區(qū)域，通過中段運輸巷道、穿脈運輸巷道進入需風工作面，返回的污風經回風天井、-60m回風平巷，從地表南、北風井抽出。變更后生產過渡期通風系統(tǒng)示意圖如圖1，變更后Ⅰ級機站風機配置情況見表1。

2.2? 通風機站遠程集中控制改造

使用西門子S7-200 系列PLC和數(shù)字量、模擬量模塊對風機運行開停狀態(tài)、電流、電壓、電機溫度、振動等參量進行采集與監(jiān)測，并通過上位機遠程集中控制，以實現(xiàn)通風機站遠程集中控制。

2.2.1? 控制原理

本次改造將表1所示的6臺機站啟動柜更換為PLC控制啟動柜，控制柜內設備主要包括S7-200 SMART PLC模塊、AE04模擬量模塊、AR04模擬量模塊、工業(yè)以太網交換機、威綸通觸摸屏、24V開關電源等。PLC模塊為核心控制單元，用于數(shù)據(jù)采集與輸出控制，通過網線與工業(yè)以太網連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊；AE模擬量擴展模塊用于采集風速、風壓、有毒有害氣體和振動等傳感器的4～20MA模擬量信號；AR模擬量擴展模塊用于采集前后軸承及繞組的溫度信號；威綸通觸摸屏用于風機運行狀態(tài)與監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示和風機啟停控制。控制柜原理見圖2。

2.2.2? 基礎通信改造

一般用于工業(yè)設備聯(lián)網的主要方式有RS485總線、CAN總線和工業(yè)以太網，傳輸介質為銅纜和光纜，但使用銅纜進行傳輸存在以下弊端：一方面，需根據(jù)不同的網絡類型，使用專用的線纜，不能混用；另一方面，不同的工控設備的接口不盡相同，由于使用銅纜，傳輸介質不能混用，需要鋪設多條銅纜。而光纜與銅纜相比具有容量大、傳輸帶寬更寬、電磁干擾抵抗力強和可兼容性好等優(yōu)點，可根據(jù)建設現(xiàn)場的需求，利用各類光電轉換通信設備實現(xiàn)與工業(yè)以太網的連通，達到共用一條光纜線路的目的，實現(xiàn)高容量通信和簡化布線結構的效果。在此次改造中需要增加12芯光纖2500米，新增交換機及光模塊見表2。

2.2.2? 通訊協(xié)議

通風質量監(jiān)測系統(tǒng)應該具有Web聯(lián)網功能，便于上級部門或各級應急管理部門聯(lián)網和檢查時，隨時調取實時運行數(shù)據(jù)。原通風質量監(jiān)測系統(tǒng)使用獨立的、專門的軟、硬件解決方案，雖然能解決聯(lián)網查詢功能，但監(jiān)測系統(tǒng)與電控系統(tǒng)獨立運行，不能真實、全面的反映通風系統(tǒng)的運行狀況，因此，集控系統(tǒng)與Web服務器之間需要有一套通信協(xié)議或接口，本次系統(tǒng)改造使用目前國際主流的物聯(lián)網通信協(xié)議MQTT，是IBM開發(fā)的即時通訊協(xié)議[2]。目前，主流的軟、硬件廠商都對TQTT協(xié)議提供了支持，并且已有多個專門用于數(shù)據(jù)采集服務器的代理系統(tǒng)被廣泛應用，本次系統(tǒng)改造使用該協(xié)議將集控系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)上傳至代理系統(tǒng)服務器，并通過二次開發(fā)的Web服務器將采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)可視化，以便于各個數(shù)據(jù)的精準調取與深入分析研究。

2.2.3? 服務器及系統(tǒng)結構

一級風站、二級風站、三級風站將PLC采集的數(shù)據(jù)通過以太網上傳至帶MQTT協(xié)議的威綸通HMI，再上傳至存儲服務器主機上。該平臺系統(tǒng)為三層架構模式，即“云端服務器->觸摸屏->傳感器&控制器”的架構模型。“傳感器&控制器”是指可以用來采集、測定數(shù)據(jù)的如風速、風壓傳感器或者是可以被控的設備如變頻器、啟動柜，下位機PLC再采集控制各類設備的數(shù)字量、模擬量或RS485信號；“觸摸屏”是上位機，其通過網線與PLC設備和交換機進行通訊，用途是將PLC設備采集測定的數(shù)據(jù)發(fā)送到云端服務器或通過人機界面將需要控制的操作或數(shù)據(jù)返回給PLC設備；“云端服務器”包括網絡管理服務器、虛擬化管理服務器、存儲服務器，服務器上部署數(shù)據(jù)庫，用戶可以在部署的工業(yè)以太網內通過客戶端（電腦）以瀏覽器的形式訪問數(shù)據(jù)庫，并以此為基礎實現(xiàn)與監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)調用與監(jiān)測顯示[3]。監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)包括顯示所有監(jiān)測數(shù)據(jù)、實時報警、歷史數(shù)據(jù)查詢、報表、曲線、打印等。

2.3? 可視化平臺系統(tǒng)

系統(tǒng)采用B/S架構模式設計，系統(tǒng)的設計是基于數(shù)據(jù)傳輸之上的，軟件開發(fā)采用B/S架構。辦公室人員通過瀏覽器登陸系統(tǒng)完成監(jiān)測數(shù)據(jù)、實時報警、歷史數(shù)據(jù)查詢、報表、曲線、打印等操作。

2.3.1? 軟件功能

（1）軟件支持MQTT協(xié)議，通過光纖網絡方式同現(xiàn)場終端通信。

（2）支持瀏覽器登錄網絡訪問系統(tǒng)。

（3）系統(tǒng)支持定時主動上報+ 事件告警主動上報+ 定時問詢 + 即時召測。

（4）軟件模塊化設計，主要包括系統(tǒng)信息、測點信息、在線監(jiān)測、歷史記錄、報表分析、日志管理等功能。

2.3.2? 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

在井下一、二級風機站和地表三級風機站的配電室及主要通道處設置視頻監(jiān)控系統(tǒng)。硬件設備包括海康威視的硬盤錄像機及攝像頭、希捷硬盤、交換機和顯示器，機站現(xiàn)場安裝攝像頭和交換機，攝像頭通過網線與交換機連接，調度室內搭配帶硬盤的硬盤錄像機、交換機和顯示器，硬盤錄像機分別與交換機和顯示器通訊連接，硬盤容量依據(jù)搭載攝像頭數(shù)量和像素進行選型，保障存儲時間高于1個月，以實現(xiàn)對風機設備運行狀況和周邊環(huán)境視頻資料的實時監(jiān)控與歷史回放，便于制定應對措施[4]。

2.3.3? 現(xiàn)場傳感器情況

對通風系統(tǒng)傳感器進行優(yōu)化升級，將原獨立的通風質量監(jiān)測系統(tǒng)改造為接受傳感器輸出4-20mA電流信號的開放式系統(tǒng)平臺，接入到風機運行電氣控制中。使用超聲波旋渦式風速傳感器替代原系統(tǒng)的皮托管風速傳感器，有效降低污風中粉塵和水汽對傳感器的影響，降低維護工作量，提高傳感器的使用壽命，選用26PC系列硅壓力傳感器提高介質的測量兼容性；有毒有害氣體傳感器方面，在-180m、-195m和-210m水平生產中段的13#穿進風巷和14#穿回風巷靠近采場位置增設NO2和CO傳感器。在-180m水平避災硐室增加CO、CO2、O2、溫度、濕度和大氣壓檢測報警裝置[5]。

3.改造后的效果

經過對井下通風系統(tǒng)的一系列改造，優(yōu)化了一級風機站的布置位置及數(shù)量，確保了井下通風質量，滿足了生產安全需要；完成對通風系統(tǒng)風機的遠程集中控制改造，實現(xiàn)機站現(xiàn)場的無人值守，可減少崗位值守人員16名；對通風監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)進行升級，加入了電控部分，優(yōu)化了風速、風壓傳感器，新增了有毒有害氣體傳感器，監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)滿足聯(lián)網要求，同時將井下通風系統(tǒng)狀況動態(tài)的顯示在監(jiān)控主畫面上，實時顯示風速、風壓、風量、風機開停等狀態(tài)數(shù)據(jù)，提高了可視化水平。在石人溝鐵礦調度室內就可以完成一、二、三級風機站統(tǒng)籌管控，同時，整合通風質量監(jiān)測和運行控制兩個系統(tǒng)后，實時對運行數(shù)據(jù)進行監(jiān)測記錄，當設備發(fā)生異常時候，能第一時間做出反映并制定切實可行的檢修方案，延長了設備使用壽命，降低了通風質量監(jiān)測系統(tǒng)的維護工作量。總之，本改造的實施具有良好的經濟和社會效益。

4.結語

石人溝鐵礦通風系統(tǒng)的優(yōu)化設計與改造的成功，推動了礦山科技化轉型發(fā)展，走出了一條科技強企的發(fā)展之路，同時為該行業(yè)的技術創(chuàng)新積累了經驗，起到了示范作用。

參考文獻：

[1] 溫占國，郭子林，解利俊等。關于石人溝鐵礦井下通風設備的優(yōu)化改造[J].礦業(yè)工程，2018，16（04）：41-42.

[2] 侯曉磊。井下通風系統(tǒng)自動化應用研究[J]. 能源與節(jié)能，2018（4）：156-157，167.

[3]黃堅，徐巍，姚宗旭等。金屬礦山智能通風理論與技術[J].有色設備，2021，35（05）：89-93.

[4]翟立朋。石人溝鐵礦無人值守技術應用研究[J].內蒙古煤炭經濟，2022，（08）：124-126.

[5]李敬儒，嚴旭。基于遠程控制的井下通風系統(tǒng)研究[J].設備管理與維修，2023，（17）：3-5.

作者單位：河鋼集團礦業(yè)有限公司石人溝鐵礦