局部通風機智能控制系統研制與應用

何順席，張曉遷，龐 洋，李衛超，張建設

（1.冀中能源峰峰煤業集團 大淑村礦，河北 邯鄲 056000；2.上海山源電子科技股份有限公司，上海 201612）

0 引言

對煤礦礦井掘進工作面而言，保證掘進面通風質量以及避免瓦斯濃度超標是基本的指標要求，因此保證掘進面的通風機正常工作具有十分重要的意義。為了保證局部通風設備的正常工作，需要采用較為可靠的監控方式，目前有采用儀表模擬指示的監控方式，也有部分采用專用通風機監測監控系統的方式。國內大部分礦井采用模擬儀表方式居多，但也存在很多問題，比如機電管理運行維護人員需要24 h 不間斷現場值班，定時手動記錄儀表盤電氣數據以及瓦斯濃度數據，當發現通風設備運行不暢或有故障發生時，需要及時上報地面監控站，根據地面調度指示進行通風設備切換或維護，此方式不但耗費大量人力物力，還容易出現工作失誤，其電氣及瓦斯數據的實時性采集以及通風設備可靠運行也遠不能達到礦井少人、減人、甚至無人的要求。對于部分采用專用通風機監測監控系統，實現通風機檢測信息化的情況，則需要建立一套相對獨立功能單一的專用通風機監測監控系統機及其配套的軟硬件檢測環境，才能實現對通風機運行工況的實時監測，但該系統實際運行造價相對較高。

針對煤礦井下局部通風機監測監控系統功能單一、數據信息量不足、可靠性差的缺點，冀中能源峰峰煤業集團大淑村礦聯合上海山源電子科技股份有限公司專門研發了KJ1303 煤礦井下局部通風機監控系統，該系統不但可以作為獨立系統平臺運行，還能夠實現與現有煤礦電力安全監測監控系統平臺（KJ360F 、ZBT-11 等多系列） 的融合。系統能夠對局部通風機的電氣工作狀態進行實時監視，還能夠實施采集當前工作面通風流量的壓力、當前風量計算統計、當前風速計算統計、當前環境溫度數據、當前環境濕度數據、當前瓦斯環境濃度數據、當前一氧化碳環境濃度，并根據所測數據進行綜合提取判斷風壓風量風速過大或過小，以進行實時調節三者大小，保證工作面有害氣體環境濃度處于安全要求水平，在保證安全生產的前提下，同時能達到降低能源消耗、節能減排的要求；同時，系統又設計了移動手機端監控和視頻圖像與監控系統聯防聯動功能，通過手機APP 管理軟件能夠實現監控平臺的全部監控功能，實現系統故障后的視頻圖像聯防聯動及手持機報警等功能。

通過該局部通風機智能控制系統研制與應用，設計并實現了對局部通風機運行工況的實時監測及控制，保證了局部風機安全運行，為煤礦井下通風及安全生產提供了有力保障，實現了信息化平臺的融合及功能實現。

1 系統基本架構設計

KJ1303 煤礦井下局部通風機監控系統采用分層、分布式系統架構，能夠連續在線監測局部通風機狀態、運行參數和環境參數等信息，多方位實現局部通風機的切換、啟停、具備自動排瓦斯、一鍵快速送電、單雙機自動切換運行等實用功能。具有功能強大、操作簡單等特點，可將風機運行數據以圖形畫面、動態畫面、曲線、趨勢圖、報表等多種形式輸出、支持打印、信息的WEB 發布及手機客戶端移動監視功能。

系統主要由地面遠程監控中心、局部風機數據采集與轉發分站、礦用隔爆兼本安型真空饋電開關、煤礦風機用隔爆兼本安型雙電源真空電磁啟動器，礦用隔爆兼本安型直流穩壓電源、礦用本安型瓦斯傳感器、礦用本安型溫度傳感器、礦用本安型風速傳感器、礦用本安型一氧化碳傳感器、礦用本安型振動傳感器、礦用本安型網絡攝像儀、光線通訊環網及環網交換機等設備組成，系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構Fig.1 System structure

實施后實際系統結構效果如圖2 所示。

圖2 系統結構效果Fig.2 System structure effect

2 系統運行原理過程

（1） 在局部風機安裝地點裝設有礦用本安攝像儀、瓦斯傳感器、溫度傳感器、風速傳感器、一氧化碳傳感器和振動傳感器等。

（2） 礦用本安攝像儀用于以視頻方式實時直觀傳輸局部風機安裝點視頻圖像信息。

（3） 瓦斯傳感器用于實時監測適煤礦井下環境0～4%CH4甲烷濃度的測量，可以通過遙控器調整零點、靈敏度，設定報警值，當甲烷濃度達到設定的報警值時，傳感器發出聲光報警信號。

（4） 溫度傳感器用于有瓦斯或煤塵爆炸危險，但無顯著振動和沖擊、無破壞絕緣的腐蝕性氣體的場所的環境溫度監控。

（5） 風速傳感器用于煤礦井下環境0.4～15 m/s 風速的測量，可以通過遙控器調整靈敏度，設定上、下報警值及報警模式，當風速低于下報警值或高于上報警值時，傳感器根據報警模式設置控制發出聲光報警信號。

（6） 一氧化碳傳感器用于監測煤礦井下巷道環境一氧化碳的模擬量傳感器，能就地顯示一氧化碳的濃度數據并能與井下監控系統配套使用。

（7） 振動傳感器用于將風機啟動或運行過程中的電機機械振動信號轉化為數字信號，傳送給局部風機監控分站進行處理上傳，有地面服務器電腦判斷風機運行工況，數據異常時發出告警信號。

（8） 聲光報警器用于局部風機檢測分站在檢測到瓦斯濃度數據異常偏高、環境溫度數據異常偏高、風速數據過低或過高、一氧化碳濃度數據過高、或檢測到個傳感器終端以及開關保護器終端通訊異常、保護器保護或告警、風機振動信號異常等情況下啟動聲光報警器，并將告警信息實時上傳地面服務器，提醒就地工作人員或遠程工作人員及時處理異常運行情況。

（9） 主風機真空饋電開關/備用風機真空饋電開關、雙電源真空電磁啟動器開關用于給風機提供動力電源。開關內置保護器，用于實現對所帶風機設備的電流、電壓、功率、電量、功率因數等信息的測量、對風機設備的遠程控制、對風機設備的設備狀態及故障信息采集、對風機設備的遠程設定參數修改等。

（10） 局部風機檢測分站主要完成井下區域通風點各開關低壓綜合保護器、礦用本安攝像儀、瓦斯傳感器、溫度傳感器、風速傳感器、一氧化碳傳感器和振動傳感器等數據終端經過光線環網與地面監控主站進行實時數據上傳或控制命令的下發。因為每個傳感器廠家、或繼電保護器廠家、或網絡攝像機等通訊終端的通訊方式、通訊介質、通訊速率、通訊規約等可能都不一樣，因此檢測分站成為必不可少上通下達的中轉通道，并將各類數據進行有效融合為統一規約。分站內置有MOXA 工業級通信管理機、自主自動切換型逆變工作電源、光纖轉接盒、千兆環網交換機等。通過多種類型的通信接口、通信介質、通信速率、以及可定制化的通信規約，能夠方便的融合各類采集終端數據或擴展。

（11） 主服務器/ 備用服務器安裝有KJ1303煤礦井下局部通風機監控系統，通風機監控系統經地面交換機、入井環網以及交換機網絡、并通過掘進面局部通風機檢測分站接收井下各氣體傳感器數據終端、振動傳感器數據終端、饋電開關微機綜合保護器數據終端等上傳的多路瓦斯甲烷氣體濃度數據、一氧化碳氣體濃度數據、二氧化硫氣體濃度數據、礦井風流壓力數據、風量數據、風速數據、環境溫度數據、環境濕度數據、風機控制開關的電網電壓、電流、用電電量的峰平谷數據，并自動記錄形成對應的實時報表表格、實時曲線圖。

通風機監控系統在記錄數據形成表格曲線的同時，自動分析是否有有害氣體濃度超標數據，分析是否需要調節風量、風速大小，以及通風機電氣控制開關是否運行正常、是否有漏電情況發生等，并可從通風機監控主站下發控制報文進行風量、風速的調節、通風機電氣控制開關的分閘退出、或合閘投入等控制操作。

3 系統實際運行效果

通過該系統的現場調試后實際運行，基本實現了預期的設計目標，不但實現了井下所需檢測數據如有害氣體(瓦斯甲烷氣體、一氧化碳氣體、二氧化硫氣體)濃度數據、電網數據、環境數據等的快速高效上傳，同時也實現了能夠從地面監控主站順利下發控制命令，實現了不同傳感器廠家、不同保護器廠家、不同攝像記錄儀廠家數據的高度融合，數據智能處理分析能力得到極大提高（圖3），主要體現在以下幾方面。

圖3 實際運行效果Fig.3 Actual operation effect

（1） 非設備故障停風，在確保環境條件允許前提下，能夠遠程快速恢復通風。

（2） 能夠從地面主站遠程實現風機切換試驗、短路試驗、漏電試驗及遠程故障復位。

（3） 實時采集掘進工作面通風機控制開關的運行電流、電壓、通風機輸電電纜對大地的絕緣電阻值、運行狀態、故障信息等參數，并實現遠程參數設定和修改。

（4） 區域通風點瓦斯濃度、一氧化碳含量、溫度、風量等信息實時監控，并能與監控系統進行聯防聯動，對異常情況進行報警。

（5） 通過有害氣體曲線及報表分析，方便技術人員判斷掘進工作面設備狀態工作情況，通過風量、風速、風壓、有害氣體（瓦斯甲烷氣體、一氧化碳氣體、二氧化硫氣體） 濃度變化情況，事先判斷危機情況發生的可能性，進行故障預演。

（6） 地面主站局部通風機監控軟件提供故障報警信息的存儲記錄，能夠進行查閱、瀏覽和打印。

（7） 配備的礦用本安型高清網絡攝像機對局扇配電點進行遠程圖像監視，實時動態了解現場情況，并能夠實現事故情況下與監控系統的聯防聯動功能。

（8） 通過OPC 接口或web 發布功能接入全礦井自動化系統，將信息上傳到相關管理部門。

（9） 能夠實現監控系統的手機APP 管理功能及系統廠家遠程云服務、云維護功能。

（10） 系統設計遵循技術先進、功能齊全、性能穩定、使用方便、節約成本的原則，并為今后的發展、擴建、改造等因素留有擴充的余地。

4 結語

通過項目建設，實現了在地面調度中心對井下局部通風機電氣設備、礦用本安攝像儀、瓦斯傳感器、溫度傳感器、風速傳感器、一氧化碳傳感器和振動傳感器等的遠程監控檢測與控制，達到了保證局部通風系統的安全可靠運行、提高效率、節約人力成本、使用方便、減少經濟成本等預期目標。該項目符合當前煤礦信息化產業政策，對保證井下掘進工作面通風機供電及通風系統實現安全運行具有良好的效果，對提高煤炭行業安全生產能起到重要的作用，能夠有效防止由于各種故障帶來的安全隱患或其它類型事故。