無人值守礦井主通風(fēng)機(jī)技術(shù)的應(yīng)用與分析

王瑞雄

（西山煤電杜兒坪煤礦，山西 太原 030022）

主通風(fēng)機(jī)被稱為礦井肺腑，通過制造流動(dòng)的空氣向礦井輸送新鮮空氣，并將井下粉塵、瓦斯等有毒有害氣體向地面排放，是煤礦井上井下空氣流通的動(dòng)力來源。為了保障主通風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行，通常在機(jī)房留有值班人員，觀察主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場操作和處理緊急事件等。為了執(zhí)行國家提出的建設(shè)智慧礦山和少人無人礦山的相關(guān)文件，實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)機(jī)機(jī)房無人值守，杜兒坪煤礦引進(jìn)應(yīng)用了一套無人值守礦井主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)[1-5]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通風(fēng)機(jī)無人值守系統(tǒng)是基于 “分散控制”和“集中信息管理”的三層結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。現(xiàn)場測量與控制層通過屏蔽電纜與中央管理層連接，中央管理層通過光纖與遠(yuǎn)程監(jiān)控層連接。

1.1 現(xiàn)場測量與控制層

設(shè)備包括風(fēng)速風(fēng)壓傳感器等各類型傳感器、智能巡檢儀、PLC、攝像頭等。這些設(shè)備對開關(guān)柜、通風(fēng)機(jī)、勵(lì)磁柜的參數(shù)和狀態(tài)進(jìn)行采集。控制設(shè)備在中央管理層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層的指令作用下，完成對風(fēng)機(jī)和風(fēng)門的控制。如通過電磁閥調(diào)節(jié)風(fēng)門開度、備用風(fēng)機(jī)倒機(jī)等。

1.2 中央管理層

由工業(yè)計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集與通信裝置和UPS電源組成。數(shù)據(jù)采集與通信裝置通過RS485 與測量和控制層的PLC 相連，通過MODBUS 協(xié)議接收數(shù)據(jù)，并在顯示屏上顯示。開關(guān)柜上的綜合保護(hù)裝置留有RS485 接口，可以將開關(guān)的狀態(tài)、電流、電壓等信息上傳至數(shù)據(jù)采集與通信裝置。

1.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控層

由監(jiān)控計(jì)算機(jī)和視頻監(jiān)控主機(jī)組成，這些主機(jī)通過光纖與中央管理層連接，工作人員無需前往現(xiàn)場即可了解主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的全部信息。工作人員在中央控制室的視頻監(jiān)控主機(jī)上查看通風(fēng)機(jī)機(jī)房視頻和聲音，在遠(yuǎn)程控制時(shí)了解設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)房完全封閉。

2 系統(tǒng)功能

上位機(jī)系統(tǒng)的功能為顯示下位機(jī)上傳的各項(xiàng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)，在中央控制室遙控通風(fēng)機(jī)的啟停、風(fēng)門的啟停，在風(fēng)速、風(fēng)壓、環(huán)境溫度、電機(jī)繞組溫度等參數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號，提醒工作人員處理。

除上述基本功能外，在上位機(jī)上還能調(diào)取歷史數(shù)據(jù)，打印數(shù)據(jù)報(bào)表等。

3 工作原理

通風(fēng)機(jī)無人值守系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，分為監(jiān)控系統(tǒng)和視頻系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)以數(shù)據(jù)采集與通信裝置為核心，溫濕度傳感器、煙霧傳感器和風(fēng)量傳感器將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸至模擬量輸入模塊，一方面，通信裝置將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給24 口交換機(jī)，控制臺(tái)監(jiān)控主機(jī)通過交換機(jī)獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)； 另一方面，交換機(jī)通過光纖收發(fā)器將這些電信號轉(zhuǎn)化為光信號，通過光纖發(fā)送至機(jī)電隊(duì)監(jiān)控室的光纖收發(fā)器，再轉(zhuǎn)送給監(jiān)控主機(jī)。視頻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對簡單，各路高清攝像頭直接接入交換機(jī)，類似監(jiān)控系統(tǒng)，也通過光纖傳送至機(jī)電隊(duì)監(jiān)控室的視頻主機(jī)，在顯示器上顯示出來。機(jī)電隊(duì)監(jiān)控室和地面主通風(fēng)機(jī)房分別放置的兩臺(tái)上位機(jī)均為工業(yè)級計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)使用MCGS 軟件進(jìn)行組態(tài)，將現(xiàn)場傳送的數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，并存儲(chǔ)在硬盤上，根據(jù)需要還可以進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，在超過限值時(shí)還能發(fā)出警報(bào)。

圖2 風(fēng)門開度控制程序流程

圖3 風(fēng)機(jī)倒機(jī)程序流程

4 程序控制

無人值守方案是用提前編輯的固定程序來處理礦井主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中的所有事件，內(nèi)容包括正常運(yùn)行時(shí)各傳感器采集的風(fēng)量、風(fēng)速、溫度等參數(shù)的正常范圍，運(yùn)行主風(fēng)機(jī)故障時(shí)倒機(jī)控制程序，風(fēng)門開度閉環(huán)控制程序，電機(jī)軟啟動(dòng)程序等。

4.1 風(fēng)門閉環(huán)控制程序

從風(fēng)門的機(jī)械結(jié)構(gòu)來說，其開啟和關(guān)閉的動(dòng)作不是瞬時(shí)間完成的，需要短時(shí)間的傳動(dòng)，從主通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)指定轉(zhuǎn)速到井下風(fēng)速達(dá)到相應(yīng)風(fēng)速也需要一定的時(shí)間。因此風(fēng)門采用滯后的閉環(huán)控制。在啟動(dòng)通風(fēng)機(jī)前，將風(fēng)門打開一定的高度，以此確保啟動(dòng)時(shí)的負(fù)載不是最大，電機(jī)啟動(dòng)完成后，在一段延時(shí)后再檢測風(fēng)量和風(fēng)速，根據(jù)此時(shí)風(fēng)量和風(fēng)速的平均值決定風(fēng)門的開閉，如此反復(fù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到風(fēng)量達(dá)到要求。

4.2 運(yùn)行主通風(fēng)機(jī)故障時(shí)倒機(jī)的控制程序

故障前1#主通風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行，2#主通風(fēng)機(jī)作為備用。在1#主通風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障且通風(fēng)機(jī)房無人值守的情況下，故障倒機(jī)程序應(yīng)能夠自動(dòng)完成1#主通風(fēng)機(jī)停車，2#號備用通風(fēng)機(jī)投入運(yùn)行的操作，相應(yīng)地如果2#主通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)故障，程序也能完成所對應(yīng)的倒機(jī)操作。PLC 接收到1#通風(fēng)機(jī)故障停車信號后，對所有高低壓斷路器狀態(tài)進(jìn)行檢查，檢查順序依次為：高壓進(jìn)線、高壓控制低變、高壓換向柜、低壓進(jìn)線、風(fēng)門接觸器、UPS 電源，保證2#通風(fēng)機(jī)供電正常。檢查供電電源正常后，發(fā)出關(guān)閉1#風(fēng)門的動(dòng)作指令，并且檢測1#風(fēng)門的開閉狀態(tài)，當(dāng)1#風(fēng)門關(guān)閉后，發(fā)出打開2#風(fēng)門的動(dòng)作指令，提升2#風(fēng)門數(shù)秒之后啟動(dòng)2#通風(fēng)機(jī)，通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)1 分鐘后采集風(fēng)量風(fēng)速，讀取一組數(shù)據(jù)后求取平均值，與滿足安全要求的設(shè)定值進(jìn)行比較，如果不滿足要求，則繼續(xù)提升2#風(fēng)門，如果滿足要求，就清除故障信息，等待接收下一次故障信息。

5 應(yīng)用效果

主通風(fēng)機(jī)無人值守系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際后，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。一是減少了主通風(fēng)機(jī)的電能消耗，主扇風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，根據(jù)現(xiàn)場井下溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)量等信息選擇最佳轉(zhuǎn)速，在井下環(huán)境和電能消耗之間找到了平衡； 在進(jìn)行倒機(jī)操作時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟起動(dòng)，避免產(chǎn)生沖擊電流； 相較于額定轉(zhuǎn)速模式，變頻調(diào)速運(yùn)行模式下，主通風(fēng)機(jī)可節(jié)約電能一半左右。二是主通風(fēng)機(jī)房無需人員值守，系統(tǒng)可自動(dòng)根據(jù)檢測數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)門和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，確保井下環(huán)境符合安全要求，特殊情況下工作人員在機(jī)電隊(duì)監(jiān)控室即可完成觀察和控制。

表1 無人值守系統(tǒng)改造前后經(jīng)濟(jì)效益對比

6 結(jié)語

目前國家對礦山行業(yè)提出智慧化和無人化的發(fā)展要求，煤礦井下、地面等多個(gè)工作場景都在執(zhí)行少人甚至無人的工作模式。杜兒坪煤礦對礦井主通風(fēng)機(jī)無人值守系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用后，取得了良好經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)效益。