復雜礦井通風安全監測系統的優化研究

孫成爾

（西山煤電集團有限責任公司西山救護大隊，山西 太原 030200）

1 通風系統現狀

西山煤電目前采用兩翼對角式通風方式，機械抽出式通風方法，在回風井處安裝兩臺防爆對旋式軸流風機，由YBF 型電機驅動，通過改變風機的葉片角度來調整風量，以滿足各種通風需要。對回采工作面的通風布置呈U 型，對掘進工作面的通風采用獨立的局部通風，變電所、消防、水倉、水泵房等利用全負壓進行通風[1-2]。井下通風系統目前通過人工來操作，會使風量出現分配不均勻情況，影響系統的穩定性，而且不具備遠程實時調控風量功能，在出現緊急情況時不能及時采取措施。因而對通風安全監測系統進行優化，對各個用風地點的風量進行按需分配，實現系統的智能化，根據現場動態監測的實際情況，合理及時進行調整。

2 通風監測系統運行參數

2.1 振動參數信號監測

通風機中由于轉子的運動會出現一些振動問題，間接地反應到軸承座上，振動會引發設備發熱，進而出現磨損，降低使用壽命。由于無法直接監測出軸承的運行狀況，可通過軸承和軸承座的內在聯系，監測軸承座的振動情況來判斷軸承的狀態。在通風機的前后軸承上分別安裝兩個傳感器來監測軸承座的振動，得到振動參數。

2.2 溫度參數信號監測

由于風機磨損等內部故障通常會導致通風機電機軸的溫度過高，風機葉片在電機軸的運轉下長時間工作，使軸的溫度不斷升高，在超過電機軸所能承受的最高溫度時，便會燒壞電機。通風機的溫度過高時，其內部的一些零部件基本已經磨損，影響作業的安全性，根據溫度傳感器的特性及其應用對應選擇傳感器。由于鉑的測量精度高，性能穩定，選擇PT100 鉑熱電阻監測電機軸的溫度，在電機軸溫度超過設定的閾值時，使電機停止運行并報警，以防電機被燒壞。

2.3 風量參數信號監測

通風監測系統中對風量參數的監測也是十分必要的。在風流動過程中，由于流場的不均勻性，在同一測量截面處要對多個點進行測量，工作量較大，而且精確度不高，在外界氣候影響下，流場容易受干擾，影響測量的精度，很難保證流場的均勻性。因此，采用分體式組合動壓管，測量通風機的流量和壓力，保證井下作業的安全可靠，防止出現安全事故。

2.4 壓力參數信號監測

在通風機工作過程中，要實時監測通風道中的靜壓力和全壓力，采用鉆孔取壓，在通風機的入口處安裝壓力傳感器，實時進行監測，將監測的各類壓力信號轉換成電信號。

2.5 風機啟停信號監測

對通風機啟停信號進行監測主要是對井下各類交流驅動機電設備狀態進行監測，將監測的信號傳輸給PLC，通過感應來測試電纜周圍有沒有磁場，進而確定電纜中有沒有電流流過，以檢測設備的工作狀態。

3 通風監測系統結構設計

3.1 硬件設計

根據實際工作要求，對通風監測系統進行優化設計。通風監測系統的硬件設計主要包括上位機監測管理層、網絡通信層、現場監測層三部分，總體結構如圖1。將傳感器安裝在需要的位置，通過現場監測層監測通風機以及通風量等參數，并將參數傳輸給PLC 主控制器，控制器對參數信息進行數據處理，然后按照預先設定的邏輯運算得到最佳通風方案，在網絡通信層作用下傳輸給上位機監測管理層，便于工作人員及時監測井下的通風情況[3]。由于井下工作環境的復雜性，為了減少干擾，增強通信，提高傳輸效率，采用RS458 通信模塊進行差分傳輸。上位機監測管理層就是通過工業控制計算機，將井下傳輸的信息實時顯示出來，便于監測和控制。

3.2 軟件設計

通風監測系統的軟件采用S7-300 進行編程[4]，整個監測系統軟件由多個子模塊組成，采用模塊化編程是為了后續調用簡便和擴展功能，軟件設計的主程序流程圖如圖2。首先對每個單元進行初始化處理，待數據信息采集子程序傳輸到采集信號后開始，在通風機運行時，不斷監測通風系統的狀態，并將傳感器監測的數據傳輸給PLC，對通風量進行邏輯運算，并給出最佳通風量控制信號，調用控制方式子程序，控制相關機電設備的動作，調用風機運行監測子程序，監測通風機和通風量的運行狀態，判別控制方式以及通風量是否在要求范圍內，調用故障預警子程序。根據實時監測出的結果，與PLC控制器的閾值進行比較，得到預警報警信號，判斷各類機電設備能否正常工作，及時反饋給井下操作人員和地面監測人員，便于維修，提高了設備的工作效率。

圖1 系統硬件設計圖

圖2 主程序流程圖

4 實際應用

將優化后的通風監測系統在西山煤電進行應用，采用兩臺防爆抽出式對旋軸流通風機，每個通風機用兩臺電機帶兩個風葉工作，一備一用，正常情況下，一個月倒換一次。通風監測系統的主畫面如圖3，主要對通風機運行過程中的風壓、風速、流量、功率以及電機等參數進行監測。通過實時曲線直觀地監測同一時間每個監測量的對應關系，以及短時間內監測量的變化情況，及時掌握通風機當前的運行狀況；通過歷史數據查看過去一段時間內，各監測量的變化趨勢；通過統計報表將任意一段時間內，各運行參數的變化情況以報表的形式顯示出來，便于查看和儲存；通過告警信息快速查找出系統的故障，便于維修和解除故障，提高系統的穩定性。

通風監測系統自運行以來，通風效率明顯提高，總配風量從3000 m3/min 增加至3350 m3/min，采煤工作面風速由1.3 m/s 增加至 2.1 m/s，掘進工作面風速由0.7 m/s 增加至1 m/s，且隨著風速的增加，工作面的環境溫度從26 ℃降到23 ℃，工作環境得到很大改善。

圖3 監測系統主畫面

5 結論

（1）構建現場監測層、網絡通信層、上位機監測管理層三層網絡，以PLC 主控制器為核心，對數據進行處理和運算，實現最優通風調節。

（2）使用模塊化編程，便于對子程序的調用，運行監測和故障報警子程序，提升井下作業的安全性。

（3）通風監測系統自運行以來，穩定性較高，通風效率明顯提高，總配風量從3000 m3/min 增加至3350 m3/min，采煤工作面風速由1.3 m/s增加至 2.1 m/s，掘進工作面風速由0.7 m/s 增加至1 m/s，應用效果顯著。