智能礦山環(huán)境下局部通風(fēng)機自動化控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

姜占東，楊 陽

(國家能源集團寧夏煤業(yè)公司 石槽村煤礦，寧夏 靈武 750411)

石槽村煤礦目前已經(jīng)建設(shè)了智能采煤、智能掘進、智能運輸、自動化排水等系統(tǒng)，系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用10 000 M工業(yè)以太網(wǎng)，連接有主排水泵房、井下變電所、膠帶運輸、副井提升機、主通風(fēng)機，壓風(fēng)制氮等系統(tǒng)。其中主通風(fēng)機遠程控制系統(tǒng)通信為PLC工業(yè)總線通信，通過通信基站將工業(yè)總線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為TCP/IP協(xié)議再通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機，上傳至地面風(fēng)機遠控系統(tǒng)平臺。然而，由于煤礦井下掘進工作面、集中排水點等局部通風(fēng)機通風(fēng)地點局部通風(fēng)并未與主通風(fēng)機遠程控制系統(tǒng)平臺同步建設(shè)，且井下局部通風(fēng)機布局分散，安裝使用環(huán)境惡劣，移動頻繁等原因，造成了通風(fēng)遠程控制的死角和安全隱患。由于煤礦電力系統(tǒng)不可避免地存在電壓波動、閃絡(luò)等因素，瞬時會波及局部通風(fēng)機的供電電源，導(dǎo)致井下局部通風(fēng)機經(jīng)常出現(xiàn)大面積無計劃停電、停風(fēng)事故。發(fā)生停電、停風(fēng)事故后，從地面到井下，由人工進行逐級送電，最快需要30～40 min，存在掘進工作面迎頭有毒有害氣體聚集的風(fēng)險，嚴重威脅礦井安全生產(chǎn)。利用智能礦山的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，進行局部通風(fēng)機的自動化改造，在地面對局部通風(fēng)機進行遠距離啟?？刂?，減少無計劃停電停風(fēng)事故影響是進一步保障煤礦安全生產(chǎn)的重要舉措。以礦山局部通風(fēng)機自動化改造為例，來論述智能礦山環(huán)境下分散控制系統(tǒng)改造的新方法。

1 主通風(fēng)機PLC控制與局部通風(fēng)機控制

智能煤礦綜合自動化系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖1所示，礦山各種子系統(tǒng)均接入到這個統(tǒng)一傳輸網(wǎng)絡(luò)[1]。智能煤礦建設(shè)系統(tǒng)基本均采用的這種子系統(tǒng)接入方式[2-3]。

圖1 智能煤礦綜合控制系統(tǒng)基本構(gòu)成Fig.1 Basic composition of intelligent colliery integrated control system

主通風(fēng)機遠控系統(tǒng)通常在地面通風(fēng)機房實現(xiàn)，通過PLC系統(tǒng)監(jiān)測通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)流、風(fēng)速、振動、電機溫度等多種信息，由工業(yè)總線傳送給監(jiān)控用PLC，并轉(zhuǎn)為TCP/IP協(xié)議通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機，將數(shù)據(jù)集中上傳至集控中心的地面風(fēng)機遠控系統(tǒng)平臺?？刂浦噶畹南聜鬟^程是由主機發(fā)出控制指令，經(jīng)TCP/IP協(xié)議，再轉(zhuǎn)換成PLC控制器的指令，對風(fēng)機發(fā)出控制指令。

傳統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)需要進行大量改造，主要原因是由于各種傳感器、控制器等部件基本上都是通過PLC的主CPU接入網(wǎng)絡(luò)的，也就是說，這些部件在網(wǎng)絡(luò)上不是獨立存在的，而是被束縛在PLC子系統(tǒng)中的。顯然，這樣的系統(tǒng)適合固定地點與系統(tǒng)的監(jiān)控[4]。對于局部通風(fēng)機監(jiān)控來說過于復(fù)雜，也不適合用于局部通風(fēng)機這種監(jiān)控量小、隨時需要移動的場合。然而，智能礦山環(huán)境實現(xiàn)了“物”與“物”相聯(lián)的概念，這給局部通風(fēng)機控制系統(tǒng)帶來了監(jiān)控所需的靈活性。

2 局部通風(fēng)機控制系統(tǒng)改造方案

未改造前石槽村煤礦局部通風(fēng)機風(fēng)機遠控系統(tǒng)需礦內(nèi)工作人員下井前往風(fēng)機安裝地點進行人工手動啟停風(fēng)機操作，浪費大量人力進行風(fēng)機切換實驗。隨著國家提出智慧化礦山的改造要求《煤礦智能化建設(shè)指南(2021 年版)》，該礦搭建了局部通風(fēng)機風(fēng)機遠控平臺，通過調(diào)度室的遠控平臺實現(xiàn)對井下局部通風(fēng)機風(fēng)機的遠程控制。

2.1 局部通風(fēng)機風(fēng)機遠控系統(tǒng)組成

局部通風(fēng)機風(fēng)機遠控系統(tǒng)由風(fēng)機開關(guān)柜保護裝置、風(fēng)機專用饋電保護裝置、風(fēng)機專變保護裝置、井下變電所內(nèi)高壓開關(guān)柜、通信基站、礦井環(huán)網(wǎng)、調(diào)度室風(fēng)機遠控平臺等組成。整個系統(tǒng)分4級操作，第1級井下變電所專用高壓開關(guān)柜、第2級為風(fēng)機專用移動變電站、第3級為風(fēng)機專用饋電開關(guān)、第4級為風(fēng)機開關(guān)，如圖2所示。

圖2 井下局部通風(fēng)機通風(fēng)控制系統(tǒng)的4級示意Fig.2 Level 4 schematic diagram of ventilation control system of underground local ventilator

其中井下變電所高壓開關(guān)柜已經(jīng)接入智能礦山的變電所集控系統(tǒng)。但后3級為局部通風(fēng)機風(fēng)機專用供電設(shè)備，通常并沒接入智能供電系統(tǒng)。因此，需要對井下現(xiàn)有的風(fēng)機移變、風(fēng)機饋電、風(fēng)機開關(guān)等設(shè)備保護器進行升級改造，保證其與電力監(jiān)控系統(tǒng)具備通信功能，達到效果最優(yōu)化。此外，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，需要利用安全監(jiān)測系統(tǒng)或現(xiàn)場監(jiān)測來提供風(fēng)機電源開關(guān)附近的有毒有害氣體參數(shù)，當(dāng)風(fēng)機電源開關(guān)周邊瓦斯?jié)舛瘸^1.0%時，對風(fēng)機電源開關(guān)的上一級電源進行閉鎖。

2.2 局部通風(fēng)機風(fēng)機遠控系統(tǒng)改造方案

局部通風(fēng)機風(fēng)機遠控采用有線+無線方式。即適合布線的風(fēng)機移變、饋電開關(guān)及風(fēng)機開關(guān)之間采用RS485有線通信方式，而風(fēng)機開關(guān)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測采用遠距離低功耗LoRa無線通信方式。

(1)局部通風(fēng)機監(jiān)控與LoRa模塊。局部通風(fēng)機風(fēng)機專用移變、風(fēng)機饋電開關(guān)和風(fēng)機開關(guān)都進行升級改造，專門研發(fā)與電力監(jiān)控系統(tǒng)具備通信和控制功能的監(jiān)控模塊，實現(xiàn)分合閘控制。風(fēng)機遠控系統(tǒng)井下通信為RS-485總線通信，通過通信基站在井下變電所高壓開關(guān)中將RS485總線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為TCP/IP協(xié)議通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機，上送至地面局部通風(fēng)機風(fēng)機遠控系統(tǒng)平臺。3個模塊功能與結(jié)構(gòu)基本相同，只要在其中集成LoRa無線模塊就可以構(gòu)成風(fēng)機開關(guān)使用的帶有無線傳輸功能的模塊。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的要求，LoRa無線環(huán)境監(jiān)測模塊目前只監(jiān)測開關(guān)附近的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，并無線單向傳送到風(fēng)機開關(guān)內(nèi)的LoRa模塊，由該模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RS-485數(shù)據(jù)進行傳輸。而當(dāng)風(fēng)機開關(guān)附近有監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)時，可以不接入LoRa模塊，而由智能礦山系統(tǒng)將監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸給局部通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)。這樣可利用智能礦山數(shù)據(jù)共享的特點。不管是LoRa環(huán)境監(jiān)測模塊的瓦斯數(shù)據(jù)，還是監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中的瓦斯數(shù)據(jù)，當(dāng)風(fēng)機電源開關(guān)周邊瓦斯?jié)舛瘸^1.0%時，對風(fēng)機電源開關(guān)的上一級電源進行閉鎖斷電。

(2)上位機中局部通風(fēng)機監(jiān)控模塊。對電力監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)一個風(fēng)機電源遠程監(jiān)測監(jiān)控子模塊。

2.3 局部通風(fēng)機遠控系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

(1)電壓等級。局部通風(fēng)機遠控系統(tǒng)中的第1級為井下變電所高壓開關(guān)柜，其電壓等級為10 kV，第2級、第3級、第4級電壓等級為1 140 V/660 V。

(2)通信方式。通過無線方式接收數(shù)據(jù)，并通過有線方式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。風(fēng)機遠控系統(tǒng)井下通信為RS-485總線通信，通過通信基站(南京弘毅KT469-F)將RS485總線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為TCP/IP協(xié)議通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機，上送至地面風(fēng)機遠控系統(tǒng)平臺。

(3)通信基站技術(shù)參數(shù)。電源參數(shù)：額定工作電壓為DC12 V本安電源，工作電流為400 mA。 主要技術(shù)參數(shù)：通過無線方式接收數(shù)據(jù)，并通過有線方式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā) 。通信方式： 百兆以太網(wǎng)光口為FC單模單纖；波長為1 310 nm；最大傳輸距離為20 km。 百兆以太網(wǎng)電接口為RJ45；速率為2路10 M/100 M自適應(yīng)；最大通信距離為100 m。 與網(wǎng)關(guān)之間無線傳輸、調(diào)制方式為470 MHz LORA無線通信；傳輸距離為300 m。

3 結(jié)論

通常煤礦主通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)是智能礦山建設(shè)里面不可或缺的重要內(nèi)容。而由于煤礦局部通風(fēng)并不在智能礦山建設(shè)范圍內(nèi)，而且布局分散，環(huán)境惡劣，移動頻繁，通常還沒有納入到智能礦山的監(jiān)控系統(tǒng)里，這給煤礦安全生產(chǎn)帶來了安全隱患。在智能礦山環(huán)境下，對局部通風(fēng)機通風(fēng)系統(tǒng)進行自動化改造，使用地面遠程送電，減少了掘進工作面迎頭有毒有害氣體聚集的風(fēng)險、降低了因停風(fēng)造成的安全隱患。局部通風(fēng)機風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)不采用通常PLC控制方式，降低了成本。系統(tǒng)實現(xiàn)中充分利用智能礦山實現(xiàn)了物與物相聯(lián)的特性。系統(tǒng)改造工作量小、經(jīng)濟、快速。實踐證明，智能礦山的概念增加了礦山分散控制系統(tǒng)改造的靈活性。