煤礦井下風門遠程實時監控系統研究

王開松 許 歡 靳華偉 牛乃平 徐記順 張亮 閆宣宣

摘 要：現代礦山越來越向智能化發展，目前大部分礦井的風門系統仍需要人力或半機械進行啟閉，不符合礦井智能化建設的要求。論文針對井下風門的遠程實時監控系統開展研究，建立了風門實時監控系統的功能框架，制定了實時監控系統的工作流程，對風門實時監控系統的關鍵技術進行分析，并搭建礦井風門實時監控平臺，實現對井下風門智能化的實時監控、數據的無線傳輸以及異常預警等功能。

關鍵詞：風門;實時監控;監控平臺

中圖分類號：TP23;TD441 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1673-260X（2021）12-0015-04

引言

井下風門系統主要是利用風門開合的方法持續向巷道內提供新鮮空氣，滿足井下工作人員對氧氣的需求，沖淡并釋放出空氣中的有害氣體和浮塵，調節巷道內的環境條件，創造良好的工作環境，有利于保障礦井安全生產。風門系統作為礦井通風系統的重要組成部分，其智能化一直是數字礦山建設中尤為關鍵的一環。但目前，礦井風門仍然是需要人力或半機械進行開合，工作難度大，對于突發狀況難以做出及時反應，而且井下負壓較大，風門作為隔斷風流的通風設施，往往開啟費力，且關門過程中由于負壓作用關門過快易傷過往行人，難以滿足礦井智能化建設的需求。因此，為了滿足智能礦山對于安全生產的追求，需要建立一種集實時監測、數據傳輸、數據分析、智能決策、實時控制為一體的礦井風門實時監控系統。

近些年來，廣大學者對煤礦井下風門智能化建設展開了廣泛的研究。劉嘉鑫針對井下風門自動化程度低，設計了一種基于PLC的礦井風門自動控制系統[1]。武超等研究了煤礦井下自動風門的組成和液壓系統的控制機構，設計了風門自動控制系統[2]。高俊亮針對風門應對災變時缺乏監測監控能力，研究并設計了一種自動風門系統[3]。張立群為實現風門的自動化控制，設計了一套雙向無壓快速拆裝自動風門[4]。陳翰光以18305回采工作面為研究背景，闡述了礦井采用智能通風與實時監測控制系統[5]。周福寶等圍繞礦井智能通風的原理，論述了礦井智能通風建設關鍵環節的功能實現技術路徑[6]。高連月等以劉塘坊礦業為研究對象，設計了主扇風機遠程自動化控制系統，實現了遠程自動化控制等功能[7]。劉建榮等以天祝煤礦斜井為研究對象，介紹了一種煤礦斜巷多水平提升監控系統[8]。

綜上所述，過往的研究主要是對風門自動化控制及礦井通風系統的組成展開的部分研究，對于風門遠程實時監控系統的研究還比較少。本文對煤礦井下風門的遠程實時監控系統進行研究，搭建該實時監控系統的功能框架，分析實時監控系統的工作流程，并對搭建風門實時監控系統的關鍵技術進行分析。

1 實時監控系統的原理

1.1 概念

風門實時監控系統的關鍵是將井下信息采集及處理技術、數據網絡傳輸技術與風門自動控制系統深度結合，依據“平戰融合”的思想，實現按需開門的智能決策與應急調控的目標，既滿足井下日常人員車輛及物資的調度任務，又實現日常通風的智能化管理。

1.2 監控系統的主要功能

該監測控制系統應用上位機對風門工作狀態及巷道環境進行監測、顯示、報警及其他管理，其主要功能：

（1）實時預警巷道內異常情況。保障風門自動控制系統日常運行的安全性與穩定性，對井下風量異常現象及時反應;滿足對風門運行異常情況的智能感知及預警。

（2）實時監控滿足智能化調控。運用人員及車輛定位技術、井下物聯網系統、大數據、信息通信和自動化技術，建立風門實時監測與控制系統，實現數據分析、智能決策與實時調控的相互融合，實現災害的預防、減弱、控制及主動搶險救災等全過程的自動化與智能化。

（3）遠程啟、停、調速功能。系統按照預編程序可實現風門遠程啟閉控制，并可根據井下生產情況，對風門進行不同程度的開合，實現節能經濟運行。

（4）監測參數實時顯示功能。可顯示巷道人員與車輛的信息（如位置、人員身份、車輛種類等）、通過風門的物料信息（如種類、數量等）、巷道環境信息（如風量、風壓、溫度等），風門啟閉與開合度情況。

（5）設備運行狀況、信息統計功能。通過建立實時數據庫，對關鍵設備運行信息實時生成趨勢曲線和數據報表，并提供查詢功能，及時掌控風門的運行狀況及巷道內的環境變化。

（6）視頻監控功能。實現監控后臺對風門運行狀況的實時監控。

1.3 監控系統模塊單元

風門實時監控系統精準獲取巷道內的環境信息、人員及車輛位置信息，基于數據處理分析系統、信息智能決策平臺和風門自動控制系統，實現對風門不同開合度的數字化調節。在電力系統出現異常時，人工能夠干預風門開合控制。當巷道內的通風系統出現風流短路或局部區域反風時，環境感知模塊能準確判斷異常，迅速做出預警并給出調控方案，及時對風門開合度進行調整。因此，礦井風門實時監控系統由環境感知系統、數據處理及分析系統、數據傳輸系統、智能決策平臺和風門自動控制系統組成，按照井下多源異構信息實時感知→安全高效信息傳輸→風門信息分析與智能決策→風門執行器及動力智能對調節控制指令發布與執行的工作流程，如圖1所示。

系統管理模塊包括用戶管理、安全管理和權限管理。在用戶管理模塊會將使用者劃分為普通用戶和管理人員，對于不同身份的用戶設置不同權限。需求調度管理模塊包括物料需求調度、任務調度和應急調度。通過對調度任務的管理，可以更好地對風門加以控制。物理層信息獲取模塊中，實時物料信息包括物料所在位置、物料的種類及物料的數量等;實時人員信息包括人員所處位置、人員身份等;實時車輛信息包括車輛所在的位置、車輛的種類、車上所載有貨物種類等;實時環境信息包括巷道內的風流速度、巷道內的溫度變化等。監控結果輸出模塊，可以將巷道內的監控信息通過趨勢曲線或數據報表的方式顯示在上位機監控平臺上，反饋給生產管理人員，管理人員能夠依據相關圖表對風門的開合做出相應調整。

2 實時監控系統的工作流程

實時監控系統由三個模塊組成，其工作原理如圖2所示。通過實時感知模塊監測巷道中風速、風壓、溫度、人員車輛位置信息等數據，將采集到的數據按照預設的解算方法及解算時間間隔進行處理分析，利用可編程控制器進行風門設備的遠程控制，最終實現對風門的實時監測控制。

2.1 數據采集與模數轉換模塊

不同的傳感器負責收集的巷道內及風門附近的各種環境參數信息，為精準對風門做出不同開合度的調節控制提供依據;視頻監控器負責收集巷道內及風門附近的視頻圖像，為監控系統對風門的啟閉做出遠程控制，提供有效全面的圖像支持;紅外傳感器負責監測人員活動及車輛行駛情況，為對風門的智能控制提供反饋信息。各類傳感器采集到的信息經過模數轉換成數字量之后經過通信網絡傳輸到下一環節。

2.2 數據分析與決策模塊

通過對數據分析準確判斷巷道環境狀況、風門啟閉狀態，實時預警，并融合井下人員、車輛定位系統等多重信息，制定井下風門設備的調控策略。

作為監控系統對用戶的直接顯示媒介，用戶可以在登錄上位機系統后對巷道內及風門附近的各種信息進行檢核、調控。下位機負責對巷道內及風門附近的各種信息（如溫度、風速、車輛位置等）進行收集、傳輸并對風門設備進行控制。如圖3所示，當下位機硬件裝置通電自動聯網完成后，用戶登錄上位機系統，系統會自動獲取網絡節點拓補圖，根據上位機系統的指令與下位機節點通信，并將下位機收集到的數據信息以實時曲線的形式在屏幕上顯示。當釆集到的參數值超過初始設定的預警值時，系統進行觸發聲光報警器并驅動下位機響應動作。同時在系統內設置實時數據庫，將收集到的信息數據進行保存。當下位機處于未聯網狀態時，用戶也可以在登錄上位機系統后查看存儲的歷史信息。

2.3 控制執行模塊

執行層主要包括風門執行器、車輛位置傳感器、人員監控傳感器、聲光報警器等。執行器在接收到上位機發送的指令后，可以控制風門啟閉使人員或礦車安全通過;可以調節風門開合度，改變巷道內的過風斷面積，得到不同風量，實現巷道內不同區域需風量的調控。可編程控制器在采集到井下通風異常狀況或行人員車輛信號后，輸出聲光報警。

2.4 其他模塊

（1）實時數據庫。在監控系統運行過程中，需要處理有海量的數據，其中，很大部分的數據和信息是并非是一成不變的，例如礦車的位置信息、巷道溫度等。由于監控系統對于信息存儲的實時性要求較高，通過實時數據庫的建立，能夠生成運行參數趨勢曲線和數據報表，可以在上位機系統中查詢。

（2）網絡通信。通信網絡主要包括井下多源異構信息的交互傳輸算法、工業以太網、網絡交換機、傳輸分站、傳輸線纜等。在巷道內及風門附近搭建若干無線基站，實現風門與監控平臺的實時通訊，達到礦井上下通訊調度一體化的目的，實現了對風門系統的遠程監測與控制。

（3）操作箱。操作箱是用于風門執行器、風門設備的手動按鈕控制的操作，用于系統工作方式的選擇。在緊急情況下，手動操作控制風門打開的功能。

3 關鍵技術

3.1 物聯網技術

基于物聯網技術的風門監控系統可以劃分為三個基本架構，由物理層、數據層和服務層組成。物理層將無線傳感器網絡技術和傳感器技術結合，實現對巷道內及風門附近數據信息的采集，并經過多跳式轉發模式向基站傳輸信息;數據層采用5G技術進行數據傳輸，由物理層中的基站通過多跳式轉發模式向監測系統發送現場收集到的數據信息;服務層是系統控制中心，它主要通過上位機平臺對井下數據進行顯示并對所采集的數據進行分析和處理。

3.2 傳感技術

為實現對風門的遠程實時監控，需要有大量來源于現場環境的數據信息，而現場環境的數據信息來源于傳感器，傳感器賦予了萬物“感官”功能，如視覺、聽覺等，可以通過不同類型的傳感器感知周圍環境。為了能夠采集巷道及風門附近的數據信息，論文對所需部分傳感器做了選型，如表1所示。

3.3 無線傳感器網絡技術

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）是由大量的具有感知能力的監測節點，通過無線通信方式搭建的一個自組織的無線網絡。WSN能夠通過不同傳感器的協作對井下信息進行采集，并對監測區域內的節點信息進行處理，最后發送給監測系統，如圖4所示。

3.4 5G技術

論文將5G技術作為實現風門監控系統中人員、計算機、設備相互聯結的網絡基礎。風門監測系統利用無線傳輸方式將礦井上下連接，通過5G技術傳輸數據信息。基站收集的數據通過TCP/IP協議轉換模塊送入5G無線數據傳輸模塊中，再將TCP/IP協議的網絡信號傳輸到5G網絡，最后將數據信息傳輸給監控中心服務器端口，如圖5所示。

3.5 自動控制技術

風門智能控制系統通過配備的各類傳感器、可編程控制器、數據傳輸設備及風門執行器等裝置，借助5G和無線傳感器網絡等現代通信與網絡技術實現礦井上下信息置換，從而使風門能夠在井下復雜環境下實現傳感感知、智能決策、控制執行等功能。

4 礦井風門實時監控平臺

論文搭建了按需通風、按需開門的智能控制層和礦井上下聯動的裝置執行層，建立了礦井風門遠程實時監控平臺。系統以Visual Studio 2017， MySQL 5.7為開發環境，開發了控制中心的監測軟件平臺，包括后臺數據庫系統和監測顯示界面。此平臺基于網絡通信技術，將井下信息采集、數據分析與智能決策、遠程控制等技術進行融合，實現了風門運行狀況監控、礦井巷道信息管理、對井下采集到的數據及風門運行數據進行管理和對井下風門相關預警參數進行設置等功能。該平臺的運行管理是基于多源異構數據的采集與傳輸及監控平臺的智能分析與決策。

5 結語

礦井風門裝置對巷道內的通風換氣、井下工作人員及運輸車輛安全起著重要的作用，將風門啟閉系統向機械化、智能化轉型發展具有十分積極的意義。本文提出了一種基于井下監測傳感技術的風門實時監控方法，搭建了監控系統的功能框架，對該系統的關鍵技術開展了研究，為促進實時監控技術在礦井風門系統上的應用進行了初步探索。

參考文獻：

〔1〕劉嘉鑫.基于PLC的礦井風門自動控制系統研究和設計[J].機械管理開發，2021，36（05）：193-194+266.

〔2〕武超，趙穎，劉瑞國.煤礦井下風門自動控制系統[J].煤礦機械，2014，35（12）：174-176.

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〔4〕張立群.雙向無壓快速拆裝自動風門設計[J].礦山機械，2021，49（01）：50-52.

〔5〕陳翰光.礦井智能通風與實時監測控制系統[J].自動化應用，2020，51（09）：126-128.

〔6〕周福寶，魏連江，夏同強，王凱，吳新忠，王雁鳴.礦井智能通風原理、關鍵技術及其初步實現[J].煤炭學報，2020，45（06）：2225-2235.

〔7〕高連月，徐德亮，周雨松，陳思.金屬礦山井下主扇風機遠程實時監控系統的研究及應用[J].金屬礦山，2021，56（06）：198-203.

〔8〕劉建榮，伊玉祥，徐杜民，杜磊，于生存，劉君賢.基于工業以太網的天祝煤礦斜巷多水平提升監控系統[J].煤礦安全，2021，52（05）：166-169.