礦井多級聯控通風安全控制系統的應用研究

王學蘭

（山西焦煤霍州煤電集團有限責任公司李雅莊煤礦，山西 霍州 031400）

霍州煤電集團有限責任公司李雅莊煤礦井下的通風機數量多，分布較為廣泛，為了確保井下的通風安全，煤礦采用了“六專兩閉鎖”的管理模式[1]，安排專門的人員對礦井通風系統進行管理和維護，由于通風系統的布置較為分散而且對員工的專項技能要求較高，采用人員巡檢、維護的模式不僅效率低下而且無法及時發現通風機運行中的隱蔽故障，導致礦井通風系統運行的故障率較高，嚴重影響了煤礦井下綜采作業的安全。

為了提高礦井通風系統的運行可靠性，提升系統運行的自動化、智能化程度，提出了將與通風系統運行關聯性高的變電站、控制中心，均納入自動控制系統，實現通過風機-變電站-地面控制中心的多級聯動閉環控制，滿足了對通風系統自動調整、故障自動監測報警的需求。該控制系統將通風調控速度提升了37.6%，將風機運行故障降低了85.3%。

1 多級聯動控制系統結構

礦井通風控制系統的核心，是要實現對礦井通風系統的智能監測和調整，滿足井下通風安全的需求，因此該系統需具備以下功能：

（1）能夠對通風系統內各個風機的運行電流、工作電壓、風機運行時的振動值、驅動電機的運行溫度、轉速等進行實時監測；

（2）對井下巷道內的風速、溫度、瓦斯濃度、粉塵濃度、風量、風壓等數據進行實時采集和分析；

（3）對控制系統內的各設備的運行情況進行遠程控制，滿足礦井通風系統在緊急情況下進行遠程調控的功能。

（4）能夠實現對相關設備監測參數值的遠程修改和調整，系統能夠根據人工控制指令進行自動切換試驗、漏電試驗、閉鎖試驗等操作；

（5）能夠在供電中斷或者其他緊急情況下實現自動保護和啟動備用電源，保證系統的運行穩定性和可靠性。

結合李雅莊煤礦通風系統的實際情況，本文所提出多級聯動控制系統[2]主要包括了三個部分：第一部分是井下風機運行狀態監測單元，主要用于對井下環境進行監測；第二部分是井下變電所，主要用于為通風系統供電并對風機運行狀態進行分析；第三部分是地面調度中心，主要用于對風機運行狀態進行監測，同時也能夠滿足緊急情況下遠程調節的需求。該通風機多級聯動控制系統的整體結構如圖1[3]。

圖1 通風機多級聯動控制系統示意圖

由圖1 可知，在井下風機運行狀態監測單元中，主要包括了各類傳感器設備，主要用于對井下的氣體環境、風量及風機運行狀態進行監控。每個風機點配備一個礦用本安控制箱，用于對所控制的風機運行狀態及井下空氣狀態進行監測。系統將監測結果通過CAN 數據總線[4]傳輸到井下變電所的本安計算機內，進行數據匯總和信號轉換，最后傳輸到調度中心，經過信號轉換后以圖表等形式將風機和井下環境狀態實時顯示在監控終端上，便于監控人員的實時監測。

該多級聯動控制系統，具有高度的模塊化程度，能夠根據不同綜采面的實際情況進行快速的調整和更換，具有極高的靈活性。

2 供電監測模塊及通信系統設計

為了保證通風系統和供電系統的協調性，在采區變電所內采用了雙回路的專用高壓配電裝置[5]。變電站和風機監控單元之間均采用高可靠性的高壓電纜連接，分為1 回專用移變和2 回專用移變，1回專用移變用于控制風機的A Ⅰ和B Ⅰ控制開關，2 回移變用于控制風機的A Ⅱ和B Ⅱ控制開關。由于李雅莊煤礦井下采用了四組局部通風機，在正常情況下兩組即可滿足運行需求，在進行控制時一般是A Ⅰ和B Ⅱ或者A Ⅱ和B Ⅰ進行組合，定期調整，滿足風機均衡運行的需求。井下變電站供電系統布置結構如圖2。

圖2 井下供電系統布置示意圖

井下通信系統用于對各個模塊及監控單元進行數據傳輸，不僅要求數據傳輸具有高效、高精度而且要求具有極強的抗干擾性和穩定性。結合李雅莊煤礦井下實際情況，本文提出的通信控制線路布置如圖3。

圖3 井下通信控制線路布置結構示意圖

由圖3 可知，井下各類傳感器和控制箱之間均采用了RS485 總線方式[6]進行數據通信，提高信息傳輸的效率和安全性。每個采區的兩個控制器之間通過通信光纜與交換機之間進行數據通信并傳輸到環網內，中央變電所的控制計算機同步連入環網，和地面調度中心形成閉環的數據通信網絡，保證礦井通風系統控制的穩定性和可靠性。

3 多級聯動系統人員配備及應急故障處理

針對優化后的多級聯動控制系統，為了最大限度發揮其自動控制系統的優勢，人員配備及工作分配上進行了優化。由于實行的是風機-變電站-地面控制中心三級聯動，因此人員分布上也按三個地點分配。

（1）井下風機處。由于在風機運行點配備有大量的傳感器設備，能夠對風機的運行狀態、井下空氣質量、風量等進行持續監測，而且風機處的噪聲較大，不配備專門的看護人員。為了保證出現異常后處理的及時性，在井下配備了2 人巡檢小組，定時對風機線路及傳感器是否被遮擋進行巡查。

（2）變電所。在變電所內設置了一臺本安計算機，該計算機是連接上下游控制系統的橋梁，能夠通過環網實現數據的傳輸。因此該處設置1 個具有專業技術資格的人員進行監控，當出現故障時需要根據故障類別及時進行預警和分類處理。

（3）地面控制中心。該中心是監控系統的“大腦”，實時顯示井下風機和空氣狀態的情況，當出現故障時及時進行報警。因此，需要監控人員對井下風機的運行模式具有高度的專業性，除了要能快速對故障進行定位和分析外，還需要根據井下的實際情況調整風機閾值或者風機切換時間閾值等。因此需要設置1 名專業技術人員。

對每個通風機配置一臺對應的控制器并在變電所內建立多光口交換機，為控制器和交換機建立數據交換通道，利用KJD18 通信網絡傳輸到地面控制中心。在運行過程中，系統通過監測井下空氣狀態，與數據庫內空氣狀態-風機狀態匹配參數進行對比，獲取最佳的風機運行參數信息，然后通過控制系統控制風機的運行情況。同時系統對供電網絡的供電穩定性進行監測，當出現異常時及時進行備用電源切換，保證通風系統的運行穩定性。

4 結論

礦井多級聯控通風安全控制系統在李雅莊煤礦的實際應用表明：

（1）采用新的自動控制系統后，需安排4 人即可保證系統運行的穩定性和可靠性，比傳統控制方案下10 人的配置，人員數量降低了60%。

（2）采用自動檢測和控制系統，對風機進行調整時具有了更快的調節速度，風機調節時的響應時間由最初的14.6 s 降低到了目前的9.1 s，調控速度提升了37.6%。

（3）風機運行時的故障數量由最初的3.1 次/天降低到了目前的0.46 次/天，故障數量降低了85.3%。