淺談井工礦主通風機集中控制系統(tǒng)

高靜，楊碩

（國能和利時信息技術有限公司，北京 100011）

0 引言

礦井通風是指將新鮮空氣輸入礦井下，增加氧氣濃度，以稀釋并排除礦井中有毒、有害氣體和粉塵。礦井通風的基本任務是：供給井下足夠的新鮮空氣，滿足人員對氧氣的需要，沖淡井下有害氣體和粉塵，保證安全生產[1]。主通風機自動監(jiān)控系統(tǒng)的安全可靠在煤礦安全生產中起著非常重要的作用。通常，通風系統(tǒng)設有以下幾部分，保證在風機發(fā)生事故或者檢修時的安全生產。

（1）地面風道閘門:風機入口前設垂直閘門，主要用來調節(jié)風量和倒換風機。

（2）通風管道:風機風道處安裝測量差壓、靜壓的氣樣管道及流體溫度傳感器。

（3）風門絞車:主要來開關風道閘門。

1 集中監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 監(jiān)控范圍

在主通風機集中監(jiān)控系統(tǒng)中，系統(tǒng)執(zhí)行機構主要包括通風機電機，閘閥，風門絞車。而主通風機是井工礦的重要設備之一，為了保證煤礦通風過程安全可控，需要實時監(jiān)測風機進風口處靜壓，風壓，濕度，一氧化碳濃度、風速、風量等一系列的參數(shù)[2]，便于設備的工作狀態(tài)能夠被在線遠程分析和診斷，技術人員不在現(xiàn)場就可以通過監(jiān)控界面了解生產過程實際情況，幫助現(xiàn)場第一時間解決發(fā)生的問題。詳細監(jiān)控范圍如下：

（1）通風系統(tǒng)風量、風速、靜壓、全壓、甲烷濃度等參數(shù)。

（2）實時檢測每臺風機的電量參數(shù)：電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)。

（3）風機前后軸溫、振動情況。

（4）通風系統(tǒng)電氣參數(shù)和設備運行狀態(tài)參數(shù)等。

（5）風門啟停狀態(tài)，以及該設備之間的自鎖和互鎖狀態(tài)。

1.2 監(jiān)控目標

主通風機集中控制系統(tǒng)體現(xiàn)“安全可靠，功能完善、實用經濟、結構簡單”的設計原則，并定位于煤礦集中監(jiān)控層和現(xiàn)場監(jiān)控層，完成對主通風設備及其輔助設備關鍵參數(shù)的實時監(jiān)測和控制。并通過可視化界面提供的歷史曲線、數(shù)據(jù)查詢、報警/日志管理等功能，自動分析設備運行情況，提高煤礦的通風能力和抗災能力，從而實現(xiàn)主通風系統(tǒng)的安全運行自動化水平。

1.3 集中監(jiān)控系統(tǒng)應用架構

井工礦主通風機集中監(jiān)控系統(tǒng)主要采用典型的3層架構，即數(shù)據(jù)采集層、服務層、界面展示層。數(shù)據(jù)采集層主要提供標準工業(yè)以太網協(xié)議驅動，將主通風機的主要設備和輔助設備的重要狀態(tài)、關鍵參數(shù)實時采集到集中監(jiān)控系統(tǒng)中，為實現(xiàn)主通風機遠程監(jiān)控提供數(shù)據(jù)基礎。其次，通過實時數(shù)據(jù)處理服務、歷史數(shù)據(jù)服務、報警日志服務等對采集的實時數(shù)據(jù)進行處理、包括壓縮、加密、計算、存儲。同時根據(jù)配置的報警條件實時判斷主通風機及輔助設備是否發(fā)生故障，如果判定發(fā)生故障則對報警內容進行實時推送和存儲，同時記錄系統(tǒng)所有的變位日志和操作日志，便于事件分析和追溯。最后通過動態(tài)特性、趨勢曲線、多樣化圖表等生動直觀的人機界面對主通風機及其輔助設備狀態(tài)進行可視化展示。

圖1 主通風機集中控制系統(tǒng)應用架構

1.4 主通風機自動化控制

本文以礦山通風系統(tǒng)典型的礦用防爆對旋軸流式通風機為例，根據(jù)煤礦井下通風需求，設計了主通風系統(tǒng)關鍵設備程序控制邏輯，并提供可視化操作面板，為實現(xiàn)主通風機自動化控制提供便利。

首先集中監(jiān)控系統(tǒng)控制模式包括兩種，即就地控制/遠程控制。就地控制即就地操作箱控制方式選擇開關置于“就地”位，通過就地操作箱上的起、停按鈕對設備直接進行現(xiàn)場控制。遠程控制即操作人員得到授權后可通過集中監(jiān)控平臺部署在現(xiàn)場的客戶端，完成礦井主通風機及其輔助設備的起、停以及運行閉鎖、故障解除等控制。遠程控制和就地控制狀態(tài)的切換需要通過集中控制系統(tǒng)上位機界面上的虛擬轉換開關或者現(xiàn)場的轉換開關的來控制，就地控制模式的控制級別高于遠程控制模式。主通風機實現(xiàn)集中控制的前提條件是設備處于遠程控制模式。

其次，遠程控制模式下，設備包括三種控制方式，分別是單機控制、半自動控制、全自動控制。其中單機控制模式只能對單個設備進行控制，半自動控制方式，可以實現(xiàn)對一組設備的順序控制，而全自動控制能夠實現(xiàn)主備風機之間的一鍵切換。本文著重介紹后兩種控制模式。

半自動模式下，可對設備進行程控，以一號風機啟動程控為例，啟動順序為1號垂直風門->1#蝶閥->通風機。通風機停止程控順序為啟動的逆過程。詳細過程如下圖所示：

圖2 主通風機半自動控制邏輯

全自動控制完成主備通風機的一鍵切換，在傳統(tǒng)切換模式下，關閉1號主通風機，待1號主通風機停穩(wěn)后，關閉1號風路切換風門，打開2號風路切換風門，再啟動2號主通風機[3]。這種切換過程中往往存在的一些問題，第一，由于設備啟停需要時間，所以切換過程種有一段時間可能導致無風，容易造成井下瓦斯超限；第二，如果遇到切換到備用風機的同時備用風機發(fā)生故障，使得切換失敗，那么需再啟動原風機，這個過程也需要一定的時間，這也給井下環(huán)境造成一定的安全隱患[4]。而本文采用的主備風機切換方式可以既可實現(xiàn)停機不停風，也可避免切機的同時保障上述第二種情況的發(fā)生。

本文設計的兩臺風機的切換方法主要包含三個步驟：

圖3 主通風機全自動控制邏輯

第一步：在1號主通風機正常運轉的前提下，打開2號水平風門，并啟動2號主通風機（備用主通風機），實現(xiàn)兩臺風機的熱備[5]。

第二步：1號主通風機的垂直風門和蝶閥依次關閉，與此同時打開1號水平風門。再逐步打開2號風機的垂直風門和蝶閥。

第三步：關閉2號水平風門，當2號主通風機穩(wěn)定運行5分鐘后，停止1號主通風機，完成兩臺風機的無擾切換。

在此期間，當啟動2號主通風機時，如果遇到2號風機故障，那么直接關閉2號水平風門，停止切換動作，并發(fā)出報警，等待故障復歸后方可執(zhí)行風機的一鍵切換控制。

1.5 報警聯(lián)動

主通風機的正常運行是為井下提供安全生產環(huán)境的關鍵，所以主通風機集中控制系統(tǒng)需提供完善的報警機制，包括報警推圖、語音報警、視頻聯(lián)動三個方面。當系統(tǒng)檢測到主備通風機都發(fā)生故障停止運行5秒后，系統(tǒng)會自動發(fā)出報警“兩臺風機停止運行”的語音報警，將通風系統(tǒng)監(jiān)控主頁面推送至人機界面最前端，并在通風界面中顯示“2臺風機同時停止”醒目字樣，同時聯(lián)動視頻，彈出通風系統(tǒng)對應的視頻畫面，便于及時通知用戶當前發(fā)生了重大報警，并方便用戶觀察設備周邊的環(huán)境情況，以便以最快的速度響應報警[6]。

圖4 主通風機報警監(jiān)控界面

1.6 權限管理

為了系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)采用基于角色的用戶權限管理的機制，系統(tǒng)內預先定義好權限種類，包括狀態(tài)監(jiān)測、用戶管理、遠程控制、報警管理、日志管理、趨勢查詢等，角色和用戶也可以根據(jù)自身需要進行定義。通過限制不同人員的操作權限，來實現(xiàn)系統(tǒng)的安全。登錄之后操作員擁有自己的訪問級別，同時獲取了相應的操作權限。

圖5 主通風機集中控制系統(tǒng)權限控制原理

同時系統(tǒng)設定了訪問時間，將用戶對系統(tǒng)的訪問時間和系統(tǒng)內錄入的排班計劃進行綁定，當訪問時間超過計劃時間后將自動注銷，換班后操作員必須重新登錄后才能對設備進行控制，否則用戶只能狀態(tài)監(jiān)測[7]。

2 結語

本文闡述了一種井工礦主通風機集中控制系統(tǒng)的應用方法，敘述了該系統(tǒng)應該具備的基礎功能，通過該系統(tǒng)在井工礦中的實施應用能夠完成主通風機及其輔助設備狀態(tài)的監(jiān)控，以及主備風機的穩(wěn)定切換，大大提高煤礦的自動化水平。完善的報警機制和權限控制策略充分保證主通風機安全可靠運行，是礦山安全生產的重要手段。到目前為止，該系統(tǒng)已經應用在多個煤礦，也具備較廣闊的應用前景，能夠拓展應用至更多的煤礦。