淺析自動化技術在煤礦通風中的應用

孔令軍

【摘 要】眾所周知，煤礦開采的安全性與高效性直接關乎到我國國民經濟的發展，同時也關乎到我國人民群眾的生活質量及生命財產安全。然而，煤礦通風系統作為保障煤礦安全且高效開采的重要屏障，卻多采用人工方式進行維護。可見，煤礦通風系統的維護方式亟待改善。為此，本文就煤礦通風領域自動化技術的應用進行研究，以增強我國煤礦通風系統的安全性能及降低此系統的維護成本。

【關鍵詞】煤礦通風；通風自動化；變頻自動化；DCS技術

1 煤礦通風系統的重要作用

隨著我國工業化經濟的高速發展，礦產資源的供求矛盾便日漸凸顯出來。盡管我國煤礦儲藏量相當豐富，但因煤礦消耗量異常大，因此煤礦資源的供求矛盾尤其突出。與此同時，據調查結果顯示，我國時常發生煤礦瓦斯爆炸事故，如此致使煤礦企業面臨嚴重的生存危機，且也給人民群眾的生命財產安全造成嚴重影響。由此可見，確保煤礦生產的安全性非常必要。另據調查結果表明，煤礦通風系統的運行效果與煤礦瓦斯爆炸事故的發生間存在著直接性的關系。煤礦通風系統作為保障煤礦安全生產的重要屏障，是指借助通風系統來排出生產空間內高濃度的有毒氣體，同時為生產工人注入外部新鮮的空氣，以達到稀釋有害氣體及使生產空間的氣體濃度達到安全值的目的。除此以外，煤礦也往往借助通風系統來排出生產空間內的熱量及水蒸氣，以提高工人作業環境的舒適性。總體而言，煤礦通風系統的合理設計對有效規避煤礦瓦斯爆炸事故及煤礦火災事故意義重大，同時也對增強煤礦礦井的抗災性能至關重要。然而，煤礦通風系統的高效運行卻始終受到諸多因素的制約，比如自然環境、人為因素、裝備設施。眾所周知，煤層地質結構異常復雜，因此待煤礦開采深度至限值以后，便會受到瓦斯壓力、低溫及地應力的影響，由此加重煤礦自然災害的威脅程度，同時瓦斯涌出量會加重煤層與瓦斯間的突出程度，進而引發嚴重的瓦斯爆炸事故，當然亦有可能引發煤層自燃及煤塵爆炸事故。我國煤礦企業從業人員的綜合素質普遍較低，且大多缺乏應有的安全意識，外加煤礦企業普遍存在輕管理重經濟的現象，因此未把煤礦通風工作提升到應有的高度。與此同時，煤礦企業對管理人員的配置過程，往往選用非專業的人員從事煤礦通風安全管理工作，外加對各從業人員的培訓工作未落到實處，如此也對煤礦通風系統的安全運行非常不利。據調查結果表明，我國煤礦礦井防塵設施極不完善，因此煤塵堆積及飛揚現象普遍存在，如此勢必引發爆炸事故，此外煤礦礦井監控系統不完善，因此監測數據的誤報現象普遍存在，如此亦對煤礦企業的安全生產非常不利。

由此可見，實現煤礦通風系統的高效運行對保障煤礦安全生產非常必要。為此，本文引入自動化技術，即淺析煤礦通風領域自動化技術的應用，以期從煤礦通風自動化角度出發，改善煤礦企業安全生產的現狀。

2 煤礦通風領域自動化技術的應用

結合前文可知，煤礦通風系統作為煤礦安全生產的重要屏障，是指借助通風系統排出生產空間內的有毒氣體，同時注入新鮮的空氣，如此保障煤礦開采的安全性與高效性。近年來，隨著自動化技術的發展，越來越多的煤礦企業選擇把自動化技術應用到煤礦通風領域，即借助操作平臺來實時監控煤礦通風系統的運行狀態，以便及時發現并處理通風系統運行過程出現的故障，如此實現對煤礦通風的自動化監管，并最終實現煤礦通風系統運行的安全性與穩定性。本章節首先介紹自動化技術的概念，然后再從煤礦通風自動化系統、煤礦通風變頻自動化系統、通風自動化控制系統三方面，淺析煤礦通風領域自動化技術的應用。

2.1 自動化技術的概念

自動化技術屬綜合性技術，即與計算機技術、系統工程、自動控制、控制論、液壓氣壓技術、控制論及信息論等學科間關系密切，且與計算機技術、控制理論間的關系尤其密切。目前，自動化技術的發展呈現出機電一體化、機械功能多元化、控制智能化、結構設計標準化且模組化、結構運動高精度化。截至目前，工業自動化已成為自動化技術應用的重要方向，比如計算機輔助設計、計算機輔助制造、綜合辦公自動化、人工智能技術及過程控制與自動化儀器儀表。實踐表明，自動化技術的應用對推動工業生產的發展意義重大，比如冶金、石油、化工、輕工業等行業，且自動化儀表及集中控制裝置的運用對促進連續生產過程自動化的發展至關重要，進而實現工業生產效率的提高。可見，煤礦通風領域自動化技術的應用符合時代發展的要求，同時也對實現我國煤礦事業的可持續發展意義重大。

2.2 自動化技術的應用

近年來，煤礦生產安全事故頻發，嚴重影響著我國煤礦事業的可持續發展，同時也對人民群眾的生命財產安全造成嚴重影響，而煤礦通風系統作為保障煤礦安全生產的重要屏障，越來越受到煤礦企業的重視。為此，煤礦企業逐步引入自動化技術，以實現煤礦通風系統的優化升級。煤礦通風領域，自動化技術的應用主要包括通風自動化系統、通風變頻自動化系統、通風自動化控制系統的應用。

2.2.1 基于TCP/IP協議的通風自動化系統的應用

基于TCP/IP協議的通風自動化系統采用“分層、分散、冗余”的設計方法來建構系統的總體結構框架及硬件的配置，同時采用以太環型網絡技術、光纖傳輸技術及多機備用來增強系統運行的可靠性，最終再采用VC+++、組態軟件來設計系統的主分站軟件，如此實現煤礦通風系統的安全且可靠運行。結合煤礦通風自動化系統的工作原理可知，此系統具備九大功能。本節試圖對此進行重點介紹。

基于TCP/IP協議的通風自動化系統具備現場手動操控功能、半自動操控功能、自控功能、“三遙”功能、數據顯示功能、故障記憶功能、自動報警功能、冗余功能、拓展功能。

（1）現場手動操控功能是指直接避開分站控制器，完全采用人工形式來操控外部硬件，如此實現煤礦通風機的啟動、停止或暫停。

（2）半自動操控功能是指采用人工方式現場操控遠程系統的主分站，如此實現煤礦通風機的選擇性啟動、停止或暫停。

（3）自動功能是指經現場采集來對煤礦通風機的運行信息進行分站，如此實現通風機的自動化啟動、停止或暫停，并最終實現煤礦生產效率的提高。

（4）“三遙”功能是指遙測功能、遙信功能、遙控功能，即遙測功能是指對現場煤礦通風機的瓦斯濃度、風壓、風量及通風機電機的電流、電壓、功率、溫度、速度等數值進行遠程測量，同時直接把測量數據傳遞至通風自動化系統的主機；遙信功能是指對煤礦通風機、風門及電機現場開關的運行狀態進行遠程采集，同時直接把采集到的信息傳遞至通風自動化系統的主機；遙控功能是指對遠方系統的主機進行操控。

（5）數據顯示功能是指對本地及遠方能夠被監測到的信號數據進行實時性顯示。

（6）故障記憶功能是指當煤礦通風設備發生故障以后，自動記錄與故障有關的所有數據信息。

（7）自動報警功能是指若通風自動化系統的監測值比預設的限值大，則及時對此進行自動報警。

（8）冗余功能是指若通風自動化系統局部出現故障，則自動采取系列補救措施來實現系統的繼續運行。

（9）拓展功能是指增加監控分站的同時，實現與通風自動化系統的自動連接。

結合通風自動化系統的工作原理及功能可知，此系統主要由三部分組成，即信息集成分站、工業以太網環形網絡與監控、地面疾控中心。通風自動化系統的工作原理詳見圖1。

如圖1所示，基于TCP/IP協議的通風自動化系統主站必須經以太網環形網關及時與系統分站的相關數據進行交換，同時通風自動化系統分站主要完成系統主站命令的接收，同時對通風自動化系統實施自動化的操作。實踐表明，煤礦通風領域，基于TCP/IP協議的通風自動化系統的應用能夠實現煤礦通風系統的安全且可靠運行，因此對此系統的應用研究具有現實意義。

2.2.2 通風變頻自動化系統的應用

據調查結果顯示，我國煤礦開采過程普遍采用低效率的通風機，即使用的通風機數量超過數萬臺，同時通風機的功率從百瓦到千千瓦不等，但實際操作過程，卻僅有少數通風機的運行效率能夠達到70%，此外風扇型通風機的能耗量均達到30～40%。可見把變頻技術應用到煤礦通風領域非常必要，即進行煤礦通風變頻自動化系統的改造。研究表明，煤礦通風變頻自動化系統的實現必須以對原有設備進行改造為前提，即首先把變頻控制柜與原控制柜并聯起來，如此利用變頻器來操作通風機，進而實現對變頻與工頻雙回路操作系統進行控制，然后再采用“一拖二、一用一備”的操作系統方式來操控主通風機，如此實現工頻與變頻的自動切換。但需注意，此通風變頻自動化系統多使用兩臺自動化變頻器，且首先分別由一臺自動化變頻器進行控制，然后再撤銷原有的風門控制閥箱，如此實現通風變頻自動化系統的控制柜對可編程系統的控制器進行直接性操控，進而完成煤礦通風。結合煤礦通風變頻自動化系統的工作原理可知，對煤礦通風系統進行自動化改造必須遵循如下改造策略：

（1）遠程通信系統與分布式集控系統的接口進行聯網，以實現對煤礦通風系統進行遠程監控，如此經微機監控便可實現對主通風機任意電機實施啟動操作或運行監控。

（2）煤礦通風變頻系統的自動化改造過程，自動化的變頻柜應設兩種風量調控方式，即手動和自動，且對電能風量自動調節的同時，可結合指定的風量實現對變頻器的自動調控及變頻器運行頻率的自動輸出，如此實現對變頻器的風量及頻率進行自動化閉環操控。

（3）煤礦通風變頻系統經自動化改造以后，必須同時具備下列功能：過壓、過流、過載、電源缺及欠壓的聲光報警功能；自動化的保護功能；顯示頻率、指示運行狀況及顯示電源的功能；就系統運行故障及時且自動發出報警及及時顯示各種控制參數的功能。

實踐表明，煤礦通風變頻系統經上述自動化改造以后，運行效果也明顯改善，具體包括三方面的內容：

（1）實現對變頻與原工頻相互閉鎖的控制，即采用PIE變頻技術對煤礦通風機實施全程控制，具體采用微機、自動及就地控制方式，但自動化方式的應用最普遍，因為自動化運行過程，若變頻器發生故障，則可及時切換到主通風機。

（2）通風機能夠實現柔性化啟動，且能夠對系統電網實施合理性的調整，此調整范圍為0～50Hz，如此既能控制機械間的相互掌機，又能改善電機的運行效果，并最終實現電機使用年限的延長。

（3）電能消耗量明顯降低，即可使煤礦通風機的節電率達到37%，如此既能實現煤礦生產的安全穩定性，又能實現煤礦企業綜合效益的最大化。

實踐表明，煤礦通風領域，通風變頻自動化系統的應用能夠有效改善煤礦企業安全生產的現狀，因此若要實現我國煤礦事業的可持續發展，必須對此項應用予以足夠的重視。

2.3 基于DCS技術的通風自動化控制系統的應用

煤礦通風領域，DCS技術的應用多由多級分層的計算機控制系統來實現，即采用“控制與危險分散、操作與管理集中”的設計思想。研究表明，DCS技術采用分級遞階的分布式結構，由此表現出易擴展、易變更、操作靈活的特點，同時經高速數據總線可實現各級間信息的相互交換。除此以外，過程控制級能夠實現對煤礦通風過程的平穩操作，而對控制管理級的優化能夠實現協調管理及優化工作點的目的，注意控制管理級涉及神經網絡控制、模式控制、預測控制及專家系統等軟件。基于DCS技術的煤礦通風自動化控制系統的工作原理詳見圖2。

如圖2所示，基于DCS技術的煤礦通風自動化控制系統的應用過程，利用傳感設備對巷道及工作面實施實時性監測，能夠測定出煤礦工作空間的壓力、風速、瓦斯濃度、粉塵含量及有毒有害氣體含量，同時能夠把各監測數據轉換成數據信號，然后再借助光纖網絡把各數據信號輸送至DCS控制系統的數據采集站，此時再借助智能系統就接收到的數字信號予以處理，最后再對預設的最優范圍參數與所得結果進行比對。如此結合比對結果，若煤礦工作空間出現瓦斯突出的現象或各項指標超出預設限值，則智能控制系統便會同時發出警報和指令，如此經電機控制集成電路系統便可實現對主風機的控制或對通風設備的正常運行發揮輔助作用，同時增加局部或總體的供風量，進而實現各項指標的降低，此外待各項指標被調節至正常范圍以后，控制系統再對各通風設備進行相應的調節，以實現對風量及通風耗能的合理控制，并最終實現煤礦開采成本的降低。實踐表明，基于DCS技術的煤礦通風自動化控制系統的應用既能夠實現節能降耗的目的，又能夠實現煤礦企業的安全生產。可見，對此項應用的研究具有現實意義。

3 結論

結合前文可知，近年來，我國煤礦安全事故頻發，且煤礦生產成本普遍較高，由此嚴重影響著我國煤礦事業的可持續發展，甚至嚴重制約著我國人民群眾生活質量的改善。另據調查結果顯示，對煤礦通風系統的優化改造能夠實現節能降耗及控制事故發生率的目的。可見，對煤礦通風系統的優化改造具有現實意義。本文著重從三方面闡述了煤礦通風領域自動化技術的應用，即基于TCP/IP協議的通風自動化系統、通風變頻自動化系統、基于DCS技術的通風自動化控制系統。經研究，可得出下列結論：

（1）基于TCP/IP協議的通風自動化系統具備九大功能，且借助此系列功能能夠實現煤礦通風系統運行的安全性及可靠性。

（2）通風變頻自動化系統的應用過程，必須事先對原有設備進行優化改造，且按文中所述步驟進行改造以后，煤礦通風運行效果顯著。可見，煤礦通風領域，通風變頻自動化系統的應用能夠實現對通風運行故障的有效控制，進而有效改善我國煤礦企業安全生產的現狀。

（3）基于DCS技術的通風自動化控制系統的應用既能夠實現節能降耗的目的，又能夠實現煤礦企業的安全生產，因此各煤礦企業必須高度重視對此項技術的應用研究，以實現企業的可持續發展。

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[責任編輯：薛俊歌]