煤礦井下生產(chǎn)管理綜合信息平臺研究設(shè)計

林宇 楊梅

成都工業(yè)學(xué)院，中國·四川 成都 611730

1 引言

在現(xiàn)有的設(shè)計方案中，一般采用的是救生艙方案來進(jìn)行安全避難，但普通救生艙只在突發(fā)災(zāi)害發(fā)生時供作業(yè)人員避難使用，在無災(zāi)害時不能為生產(chǎn)提供有效的價值[1]，這樣在無形中給生產(chǎn)企業(yè)帶來了負(fù)擔(dān)，也占用了有效的資源。為了解決生產(chǎn)中的實際問題，論文設(shè)計了一種能夠在無災(zāi)害時為井下作業(yè)提供信息采集、通訊保障、生產(chǎn)指揮、集中調(diào)度、信息交換控制平臺的功能；在突發(fā)災(zāi)害發(fā)生時，能為作業(yè)人員提供生命安全保障的生產(chǎn)管理綜合信息平臺。

2 綜合信息平臺整體設(shè)計與功能實現(xiàn)

2.1 綜合信息平臺設(shè)計概述

當(dāng)生產(chǎn)正常時，該平臺主要收集三方面的信息：生產(chǎn)信息、安全生產(chǎn)監(jiān)控信息、生產(chǎn)指揮調(diào)度通訊信息。當(dāng)發(fā)生災(zāi)害時，該平臺起到救生的作用。

2.2 煤礦井下生產(chǎn)自動化信息平臺主要功能

在無災(zāi)害時，能實現(xiàn)通風(fēng)管理、基站管理、泵機(jī)組管理、井下（艙外）各數(shù)據(jù)采集與處理、射頻信息管理（人員定位）、生產(chǎn)信息記錄和匯總、報警功能、數(shù)據(jù)庫管理、信息交換功能、生產(chǎn)調(diào)度功能、配電管理、設(shè)備管理、傳感器信息管理等。

在發(fā)生災(zāi)害時（救生艙功能），系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)艙體具有足夠的強(qiáng)度、剛度、密閉性和防沖擊性。艙門具有電動手動兩種開閉方式，艙內(nèi)人員具備坐、臥兩種休息方式，具有空氣凈化、二氧化碳分解能力，供氧能力，保濕、保壓、保溫調(diào)節(jié)功能，完整的照明體系，報警燈警示功能，通訊功能，冗余智能控制功能，冗余供電功能，多種傳感器參量數(shù)據(jù)采集處理功能，向艙外排水排氣功能，實時監(jiān)控功能，排泄物和廢棄物以及死體的封包處理功能，醫(yī)療的自我救助和心理輔助功能。此外，還可以設(shè)置一鍵啟動，具有按鈕少、智能化程度高的特點(diǎn)。

3 基于SCADA 軟件信息平臺的系統(tǒng)設(shè)計

3.1 礦區(qū)展示面設(shè)計

3.1.1 礦區(qū)剖面展示

通過SCADA 軟件對整個礦區(qū)進(jìn)行仿真設(shè)計，簡單展示礦區(qū)的周邊狀況和礦用移動式救生艙的停放位置。救生艙距離采掘區(qū)1000m，隨著采掘深度的延伸而向前移動[2]。

3.1.2 礦區(qū)系統(tǒng)圖

該設(shè)計的控制仿真畫面包含兩個圖，礦區(qū)正常工作時，顯示的是井下系統(tǒng)圖，可顯示井下各個設(shè)備的運(yùn)行狀況，方便監(jiān)控人員了解井下系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。當(dāng)發(fā)生危險情況時，逃生人員進(jìn)入生活艙，按下一鍵啟動按鈕后，畫面就會出現(xiàn)救生艙系統(tǒng)圖，能夠了解救生艙內(nèi)各設(shè)備的運(yùn)行狀況，讓監(jiān)控人員對艙內(nèi)逃生人員的環(huán)境有大致了解。

3.2 硬件救生艙設(shè)計

3.2.1 生活艙

逃生人員進(jìn)入生活艙后，按下一鍵啟動按鈕。救生艙各個設(shè)備開始運(yùn)行，為逃生人員提供一個可以生存72h 以上等待救援的環(huán)境[3]。下部分為座椅，一側(cè)放有兩組冗余電池組，當(dāng)外部供電線路斷開時，可以為直流屏提供足夠的電能。另一側(cè)放有足夠的壓縮干糧和飲用水，座椅上面有兩塊可以打開放下的睡板，供艙內(nèi)人員休息。

生活艙內(nèi)部裝有大量的氣體傳感器，將檢測到的氣體含量傳入PLC，PLC 經(jīng)過計算比較等操作，來控制艙內(nèi)相關(guān)設(shè)備和調(diào)節(jié)閥的狀態(tài)，使艙內(nèi)環(huán)境形成一個適合人員生存的動態(tài)平衡狀態(tài)。照明燈和開關(guān)艙門可以由艙內(nèi)人員根據(jù)情況自行操作，靠近過渡艙艙門的位置有一個空氣凈化器，可以吸收空氣中的部分有害氣體和去除空氣中的異味。

3.2.2 過渡艙

過渡艙設(shè)有一個水泵和一個空氣泵，當(dāng)過渡艙有積水時，可以打開過渡艙門，讓水經(jīng)小水泵強(qiáng)制打出；當(dāng)艙內(nèi)壓力過大或空氣凈化系統(tǒng)無法吸收的有害氣體含量過高時，由PLC控制空氣泵向外部排氣，為防止外部水壓或氣壓過大，保護(hù)人員的安全，水泵和氣泵均設(shè)有單向閥。過渡艙內(nèi)的滅火器和防毒面罩，在發(fā)生小型災(zāi)害或在救生艙出現(xiàn)問題時，均可以使用。

3.2.3 設(shè)備艙

設(shè)備艙是整個井下系統(tǒng)的核心，IPC 和PLC、變頻器均鎖在柜子里，不允許被任意修改；其主要由空氣凈化系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，供電系統(tǒng)，廢物處理系統(tǒng)，醫(yī)療系統(tǒng)與尸體處理系統(tǒng)組成；設(shè)備艙設(shè)有一個備用的排氣口，防止過渡艙排氣口被堵塞時，造成艙內(nèi)壓力過大和有害氣體不能被排出的情況發(fā)生。

紅色十字的醒目醫(yī)療包，可以為艙內(nèi)人員提供簡單的基本醫(yī)療救助，若有人不幸遇難，尸體停放室可以將尸體封裝停放，防止腐爛讓細(xì)菌增長而危害存活者。

抽屜式馬桶采用與飛機(jī)內(nèi)馬桶相似的原理，排泄物全部封裝打包，并放入廢棄物收集箱。

3.2.4 救生艙艙頂

頂部分布有管道和LED 照明燈，在過渡艙和設(shè)備艙頂部，均有可以向內(nèi)打開的逃生門。

3.2.5 氣體凈化系統(tǒng)

通過生活艙吸風(fēng)扇和軸流式風(fēng)機(jī)的共同作用，生活艙氣體由管道進(jìn)入設(shè)備艙的氣體凈化裝置，首先經(jīng)過飽和Ca(OH)2溶液，可以吸收部分有毒氣體、煙霧及大量的CO2。

液氮和液氧，分別過緩沖閥、氣動三件套和調(diào)節(jié)閥經(jīng)一級混合后，在軸流式風(fēng)機(jī)的動力下，再與被凈化后的空氣充分混合，通過分子篩送入生活艙。

3.2.6 救生艙供電系統(tǒng)

如果外部線路沒有損壞，則救生艙由低壓變電站提供的電能經(jīng)直流屏供救生艙內(nèi)設(shè)備運(yùn)行，如有外部線路損壞，兩組冗余電池組進(jìn)行無縫連接，嚴(yán)格保證艙內(nèi)人員的安全。

3.2.7 救生艙通訊設(shè)備

救生艙通訊采用有線與無線并存的模式，可視電話、顯示器、觸摸屏分別可以起到通訊、心理安慰和觀察艙內(nèi)參數(shù)的作用，分布在生活艙中，并且生活艙的攝像頭也可以通過網(wǎng)絡(luò)將艙內(nèi)的畫面送至地面[4]。

3.3 安全巷道整體設(shè)計

3.3.1 巷道圖

其所設(shè)計的仿真畫面主要顯示救生艙停放的具體位置，以及艙壁上的射頻器對人員的掃描情況。

3.3.2 災(zāi)害逃生圖

其仿真畫面顯示的是當(dāng)發(fā)生不同的災(zāi)害時，報警系統(tǒng)和人員撤離的情景。

3.3.3 巷道通風(fēng)系統(tǒng)

正常情況下，由主風(fēng)機(jī)、中繼扇和局扇實現(xiàn)井下的正壓風(fēng)；當(dāng)發(fā)生災(zāi)害時，主風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)，除風(fēng)管里的軸流式風(fēng)機(jī)照常運(yùn)轉(zhuǎn)外，其余風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行，此時，井下的壓力瞬間小于常態(tài)的壓力，由正常情況下的出風(fēng)口進(jìn)風(fēng)，形成一種氣流定向、穩(wěn)定的負(fù)壓風(fēng)，與外界貫通而不是僅僅在空間內(nèi)進(jìn)行內(nèi)循環(huán)。

3.3.4 巷道電力系統(tǒng)

井下供電由地面線路→高壓變電站→低壓變電站，再通過配電柜傳送至各個設(shè)備。

3.3.5 巷道通訊系統(tǒng)

在每個有效范圍內(nèi)的拐角處設(shè)置無線網(wǎng)絡(luò)基站，以保證井下無線網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

3.3.6 巷道水系統(tǒng)

集水坑泵機(jī)組將抽出的水，經(jīng)兩級泥漿泵送至水廠，地面泥漿泵可由水廠中的工作人員，根據(jù)情況抽到地面。同時，地面供水站，將干凈水經(jīng)水管送至井下，供工作區(qū)噴射高壓水使用。

3.4 工作區(qū)

3.4.1 礦井工作區(qū)

礦井工作區(qū)是對工作區(qū)和配電板的總體展示，該畫面顯示了工作區(qū)各設(shè)備的運(yùn)行狀況和主要參數(shù)

3.4.2 采掘區(qū)

采掘區(qū)由綜合采煤機(jī)鉆頭將每層打碎，通過溜槽式刮板運(yùn)輸機(jī)和皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)至集煤器，再由集煤器電動門閥控制，讓采集的煤送至煤車。

3.4.3 工作區(qū)集水坑

集水坑泵機(jī)組主副水泵均采用兩級調(diào)速，由液位傳感器將采集來的液位值傳送給IPC，在由IPC 控制變頻器調(diào)節(jié)泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速。

3.5 監(jiān)測系統(tǒng)

3.5.1 艙內(nèi)變量監(jiān)測

監(jiān)測畫面顯示救生艙內(nèi)各氣體的平均值和有害氣體的峰值，并且以每秒一次的頻率記入Access 數(shù)據(jù)庫（需建立ODBC 數(shù)據(jù)源DSN=lishi，其關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)表為：艙內(nèi)變量）（當(dāng)一鍵啟動沒有觸發(fā)時，即傳感器沒有工作，所以數(shù)值為0，也不會記入數(shù)據(jù)庫）。

3.5.2 巷道監(jiān)測

畫面主要是對巷道、采掘區(qū)、掘進(jìn)區(qū)的主要?dú)怏w含量平均值和巷道內(nèi)主要設(shè)備的運(yùn)行狀況。

3.5.3 數(shù)據(jù)庫查詢

數(shù)據(jù)庫查詢，可以查詢關(guān)聯(lián)至Access 數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容，該系統(tǒng)中調(diào)用了King View 提供的KVADODB Gird class 控件。

3.6 報表系統(tǒng)

3.6.1 歷史數(shù)據(jù)報表

先在組合框中選擇所要查詢的區(qū)域，點(diǎn)擊查詢后，會出現(xiàn)該區(qū)域可以查詢的變量值，然后選擇開始和結(jié)束時間等，即可以查詢出這個時間段內(nèi)的歷史數(shù)值，見圖1。

圖1 歷史數(shù)據(jù)報表

3.6.2 報警系統(tǒng)

報警系統(tǒng)具有實時報警、歷史報警和報警查詢的功能，報警查詢可以根據(jù)想要查詢結(jié)果的不同進(jìn)行升序和降序排列。

3.7 趨勢曲線

3.7.1 實時趨勢曲線

在右側(cè)的組合框中選擇所要查詢的實時曲線區(qū)域，在下面的曲線中則會自動出現(xiàn)所選區(qū)域的實時曲線，見圖2。

圖2 實時趨勢曲線

3.7.2 歷史趨勢曲線

先在組合框中選擇所要查詢的區(qū)域，然后點(diǎn)擊設(shè)置查詢時間，選擇起止時間和查詢間隔后，在趨勢曲線中就會出現(xiàn)相應(yīng)的歷史曲線。另外，可以進(jìn)行用戶、管理員登陸、注銷，以及打開導(dǎo)航窗和系統(tǒng)退出等操作[5]，見圖3。

圖3 歷史趨勢曲線

4 結(jié)語

本設(shè)計實現(xiàn)了一機(jī)多能，達(dá)到了節(jié)約能源的功效，使救生艙不會因為沒有災(zāi)害的發(fā)生而無用武之地，率先實現(xiàn)了有災(zāi)害和無災(zāi)害的工作模式，為企業(yè)減少了經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，為作業(yè)人員提供了安全保障，極大地增大了普通救生艙的市場應(yīng)用前景。與SCADA 強(qiáng)大的圖形功能和數(shù)據(jù)采集功能相結(jié)合，極大地增強(qiáng)了組態(tài)畫面的真實感，使工程效果更加逼真、可信。設(shè)計內(nèi)容符合市場需求和本次大賽創(chuàng)新性的要求，是一個具有高度可行性的設(shè)計方案。