無人值守控制系統(tǒng)在煤礦通風機中的應用分析

劉旭東

(國家能源集團新疆能源公司 烏東煤礦，新疆 烏魯木齊 830000)

長期以來，煤炭安全開采一直是采礦行業(yè)的首要問題，尤其是井工煤礦開采時候的通風問題。地下礦山事故可能導致人員嚴重受傷，甚至是死亡，還會造成機械和設備災難性故障以及生產(chǎn)計劃的延遲。煤礦企業(yè)廣泛使用的通風機不僅可以向井下提供足夠的新鮮空氣，保證礦工的生存，而且可以排除灰塵和污濁空氣。通常會派專門技術人員保障通風機的運行，但是容易出現(xiàn)人工差錯。因此，通風機的無人值守監(jiān)測和預警技術的研究受到越來越多的關注[1]。國內(nèi)煤炭開采領域對通風機監(jiān)測、預警、數(shù)據(jù)處理和故障診斷進行了大量的研究和應用，盡管許多煤礦已經(jīng)建立了信息管理和安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)的功能僅限于煤礦通風機布置地圖的顯示和查詢，這將導致通風機空間數(shù)據(jù)處理和顯示現(xiàn)實模型的表現(xiàn)能力不足。通風機的動態(tài)環(huán)境監(jiān)測過程產(chǎn)生了大量的信息和隱含的知識模式，這就需要一個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)才能完全的實現(xiàn)通風機無人值守的監(jiān)測，為礦井無人值守技術的應用提供依據(jù)。

1 礦井通風機工程應用概述

1.1 應用背景

煤礦井下環(huán)境惡劣，必須提供優(yōu)質空氣供人員呼吸，稀釋礦井內(nèi)部，稀釋或帶走灰塵，并為人員和機器提供冷卻的環(huán)境。雖然少量的空氣可以進入礦井，但這是不夠的，也是不受自然環(huán)境的控制，因此必須安裝必要安裝通風設備。

為此，目前的通風機之間至少需要2個連接，其中一個連接了大型風扇。這些主要是排氣扇，將空氣從地面通過其他連接裝置吸入礦井，通過巷道進入正在進行采礦作業(yè)的地方，并通過排氣扇返回地面。一些礦井確實使用了進氣口或壓入式風扇，排氣洞被安裝到井口處。地下巷道分為兩組，將新鮮空氣送入的巷道(“進氣道”)和廢棄氣帶出去的通道(“回氣道”)[2]。相鄰的進氣道和回氣道通常有煤柱或安裝分隔門，以防止開采工作面之間的新鮮空氣和污染空氣互通，如圖1所示。但是會預留孔洞，以便在需要時允許設備或人員通過。在必須穿越空氣通道的地方，移除一部分屋頂或地板，并建造一條人工隧道，將返回空氣運送到進氣口上方或下方。

圖1 通風機系統(tǒng)簡要布置示意Fig.1 Schematic diagram of brief layout of ventilator system

1.2 通風技術要求

由于礦井風機連續(xù)運行，并且需要相當大的功率才能運行，因此通風效率是一個重要的考慮因素，風機規(guī)格和通風回路維護成為重要的成本考慮因素。在通風回路之前的工作面巷道，需要采取其他措施使空氣能夠順利的沿著工作面驅動。這些措施包括使用柔性氣密材料制成通風管，在前進的道路中形成通風回路，或者通過使用通風管道結合相對較小的風扇(如“輔助風扇”)使空氣流入前進的工作面[3]。需要監(jiān)控礦井通風狀況，以確保空氣量保持一致，并且排放的氣體水平保持在安全閾值水平以下。監(jiān)測既可以手動進行，但是可靠性不足，應當使用數(shù)據(jù)化集成的監(jiān)測器進行監(jiān)控，這些監(jiān)測器應當實現(xiàn)遠程控制，通常依靠礦井外部的指示操作平臺來實現(xiàn)。

1.3 通風機運行原理分析

目前煤礦大多數(shù)采用軸流式通風機，其主要結構由主動輪、旋轉葉片、機殼、集風器、整流器、流線體、 擴散器等所組成[4]。根據(jù)礦井不同工序階段的通風要求，將不斷的調(diào)整葉片的安裝角度，一般分為6種安裝角度，分別為15°、25°、30°、35°、40°、45°[4]。采用等距的安裝方式保證每個葉片之間的間距長度一致，旋轉時產(chǎn)生恒定的壓力，不會由于間距不同而產(chǎn)生負壓。

2 無人值守監(jiān)測系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)組成設計

通風機無人值守監(jiān)測報警系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。硬件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、網(wǎng)絡模塊和一些工作站[5]。軟件系統(tǒng)包括所有的軟件平臺作為監(jiān)控模塊，警告和數(shù)據(jù)處理模塊和故障排除模塊。整個系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 無人值守監(jiān)測系統(tǒng)組成示意Fig.2 Schematic diagram of unattended monitoring system composition

數(shù)據(jù)采集模塊由嵌入式計算機、一些站內(nèi)設備和傳感器組成。它被設置用來監(jiān)控參數(shù)和從現(xiàn)場發(fā)送到工作站的信號。采用嵌入式計算機作為核心，傳感器設置在現(xiàn)場，以監(jiān)測不同位置通風機運行狀態(tài)指標。這個模塊可以通過工業(yè)交換機實現(xiàn)遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸。

工作站包括一些現(xiàn)場監(jiān)控主機，可以提供全面的分析。它通過人機界面來完成交互功能。主機網(wǎng)絡模塊包括服務器、所有電纜和數(shù)據(jù)傳輸設備。信息可以通過網(wǎng)絡接口技術在線共享。這樣就可以提前預警、分析和診斷異常情況[6]。

基于Kingview開發(fā)的監(jiān)測和預警軟件平臺是為了從現(xiàn)場設備到工作站收集各種數(shù)據(jù)而設計的。這一部分也是為了模擬通風機的工作狀態(tài)和顯示曲線參數(shù)而開發(fā)的。設計了基于Delphi編程語言的數(shù)據(jù)處理軟件和故障排除軟件應用程序，用于對風機運行故障進行監(jiān)測和報警，并且可以在監(jiān)測和警報系統(tǒng)中直接觸發(fā)[7]。

2.2 子系統(tǒng)組成設計

整個系統(tǒng)由3個子系統(tǒng)組成：綜合實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，本地計算機系統(tǒng)和遠程網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)。

2.2.1 綜合實時數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。

集成實時數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包含2個功能：數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。

2.2.1.1 數(shù)據(jù)收集

不同類型的采集模塊收集不同的參數(shù)：電氣參數(shù)的采集工作采用電源集成數(shù)據(jù)采集模塊完成。它基于改變電流互感器的比率系數(shù)。通過對通風機啟動、工作、停機過程中出現(xiàn)的電壓、電流、功率因數(shù)、誤差前3個周期波形變化、有功功率和無功功率等參數(shù)進行采集和處理[8]。

溫度參數(shù)的收集是由一線熱電偶溫度測量產(chǎn)品完成的。電機軸溫、定子溫度和表面冷卻溫度的參數(shù)可以被收集。機器操作參數(shù)采集由振動傳感器和速度傳感器完成。這包括兩個傳感器正交安裝在電機軸承附近，一個傳感器安裝軸向和其他支持組件。在這些條件下，電機的正交振動、軸向振動和電機轉速的參數(shù)可以被收集，環(huán)境參數(shù)的收集是通過集成傳感器來監(jiān)測溫度和濕度。這包括通過紅外線和視頻傳感器監(jiān)測設備的重要部分。通風負壓參數(shù)采集由擴散硅半導體壓力傳感器完成，風量參數(shù)采集由機械風量傳感器完成。

2.2.1.2 數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)場布置的監(jiān)控主機將主要對參數(shù)進行處理，收集到的數(shù)據(jù)分為3類進行處理[9]。

(1)慢速變化。這些類型的數(shù)據(jù)包括溫度、振幅、濕度、電機電壓、電流、有功功率和無功功率、風機穩(wěn)態(tài)氣壓等。該子系統(tǒng)可以在軟件模型中自動保存各種重要的實時數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以分別存儲為歷史實時數(shù)據(jù)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)可以保留數(shù)月或更長時間，以便進行長期觀察。現(xiàn)場數(shù)據(jù)的保留時間較短，可以設置為幾分鐘或幾小時。

(2)快速變化。這些類型的數(shù)據(jù)包括由電壓事件記錄器記錄的變化的電壓和電流。當特定事件發(fā)生時，它可以保存電流周期中的重要參數(shù)。此外，高速采集卡可以用來記錄波形，特別是在電機短路、過載、斷電、機械或電氣異常等情況下。這些數(shù)據(jù)可以被重復記錄并快速存儲。

(3)高速波形。這些數(shù)據(jù)存儲在特殊情況下，子系統(tǒng)以非常高的速度記錄電氣或機械參數(shù)。這些數(shù)據(jù)存儲在采集設備中，并通過計算機傳輸。它也用于波形或高速信號數(shù)據(jù)分析。

2.2.2 本地計算機子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)由Kingview平臺下開發(fā)的軟件組成。它包含了數(shù)據(jù)分析和回顧、現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析、故障預警等功能[10]。

(1)數(shù)據(jù)分析和審查。根據(jù)數(shù)據(jù)變化幅度和時間間隔兩種模式的規(guī)律，可以對參數(shù)進行保存、分析和歷史數(shù)據(jù)提取。①數(shù)據(jù)變化幅度。數(shù)據(jù)變化幅度超過預先設定的速率可以自動保存，從而可以使用更多的存儲空間。②時間間隔。由于數(shù)據(jù)變化范圍較短，子系統(tǒng)連續(xù)記錄數(shù)據(jù)。它可以保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性。實時數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)可以在存儲時間內(nèi)以報告、曲線、特定查詢表的形式重現(xiàn)。

(2)現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)分析是通過專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件實現(xiàn)的，可進行歷史數(shù)據(jù)比較、預警數(shù)據(jù)觀察與分析、多參數(shù)數(shù)據(jù)比較。Field數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)正在使用動態(tài)數(shù)據(jù)對通風機機運行情況進行趨勢和定量分析。該子系統(tǒng)包括高速波形分析，它在同步觸發(fā)模式下工作，它還可以分析電機工作過程中相關干擾影響的綜合因素。

(3)失敗警告。故障警告集中在特殊事件的分析上，發(fā)生在電參數(shù)相對較快的變化上。它主要記錄事故電源發(fā)生時的重要參數(shù)。在正常情況下，它采取了通風機振動信號的頻譜分析和電機旋轉的波形分析。通風機的早期故障預警和電氣故障是基于常見典型故障的頻率特征。單一指標根據(jù)實際經(jīng)驗范圍的閾值設置上限和下限警報值，主要通過軟件實現(xiàn)。集成指標可以用來生成各種數(shù)據(jù)和警告行動條件的記錄[11]。計算機也可以發(fā)送設備控制的命令，同時觸發(fā)高速信號采集卡并開始工作，尤其風機電壓出現(xiàn)故障時的報警嚴重影響通風效果，其報警程序設計如圖3所示。

圖3 風機電壓報警程序設計示意Fig.3 Schematic diagram of fan voltage alarm program design

2.2.3 遠程網(wǎng)絡監(jiān)控子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)主要用于通過互聯(lián)網(wǎng)觀察和記錄現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并且設計了通過實時短信的方式發(fā)送警告信息，如圖4所示。這種方式一方面便于軟件維護和程序更新以滿足用戶的需求，另一方面可以采用更先進的預測方法處理通風機監(jiān)測的原始數(shù)據(jù)，改進系統(tǒng)，建立不同情況下的各種參數(shù)數(shù)據(jù)庫，并利用先進的實驗室手段進行技術工作。

圖4 短信發(fā)送模塊設計流程示意Fig.4 Schematic diagram of design process of SMS sending module

3 無人值守通風機應用工況分析

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)應用工況簡介

研究對象的煤礦主井直徑為3 m，假設有足夠設備、工人和提取的材料安裝于礦井，而通風井直徑為1.07 m，主要用于容納將用于向礦井輸送通風的人工風機。4個增壓風機用于將空氣再循環(huán)到每個工作面，使用直徑為1.07 m的柔性導管供應足夠的空氣。面板高2.6 m、寬7.0 m、長32.0 m，安全系數(shù)為1.6，這是根據(jù)國家標準設定的地下礦山安全采礦作業(yè)的標準，如圖5所示。

圖5 礦井通風系統(tǒng)三維模擬Fig.5 Three-dimensional simulation of mine ventilation system

該系統(tǒng)需要供應145 m3/s的空氣，主通風機壓力為2.73 kPa，以對礦井進行通風，傳送帶應安裝在180°的位置，并平行于地面。當新鮮空氣通過進氣道進入系統(tǒng)到達地面時，它會沿著進氣道通過增壓風機流向工作區(qū)，在工作區(qū)，大部分污染物可能會添加到空氣中，如灰塵和許多其他危險有毒或易燃氣體、熱量、濕度和輻射。被污染的空氣沿著返回氣道返回，最終返回礦井外。

3.2 通風系統(tǒng)設計

通風系統(tǒng)的設計值和由此產(chǎn)生的煤礦工程性質被用于設計通風系統(tǒng)的完整布局，是設計無人值守系統(tǒng)各組件布置規(guī)模的關鍵。其中非常關注通風井直徑、管道直徑、開口巷道長度、面板尺寸、工人數(shù)量、柴油設備、有毒氣體和目標生產(chǎn)。設計表明，所有的氣道類型都是光滑管道，即模型支柱保持固定的長度，而像礦柱寬度這樣的參數(shù)是變化的，所有設計參數(shù)均按照1.6倍的安全系數(shù)考慮，這是任何地下礦山安全采礦作業(yè)所需的標準。通風系統(tǒng)中安裝了6臺風機，1臺主風機，1臺排風風機，其余4臺為增壓風機，風量和開口長度各不相同，基本確定了設計所需的礦井氣流分布符合標準要求，礦井氣流分布和設計參數(shù)見表1。

4 無人值守系統(tǒng)調(diào)試與應用分析

4.1 上位機的調(diào)試

具體的操作流程如下。

(1)要確保系統(tǒng)各部分設備通電且正常運行。

(2)啟動電腦桌面上的 MCGS 軟件，如果“通訊指示”燈和“啟動連鎖”燈變綠就表示符合風機啟動的條件，然后檢測畫面上的實時數(shù)據(jù)是否滿足風機的運行條件，各個指標的上下限值是否符合要求。

(3)對各參數(shù)確定正常后，監(jiān)控界面上有關于1號風機和 2號風機的啟停按鈕、風門的開閉按鈕以及油泵的啟停按鈕。如需要打開風門是風機運行，工作人員可以直接點擊監(jiān)控界面上的按鈕即可完成相應操作。注意：由于這是遠程控制，要完成此操作，需要工作人員將各按鈕撥到遠程控制的時候才起作用。

(4)大部分的實時數(shù)據(jù)都可以在監(jiān)控界面上顯示出來。

表1 煤礦井下通風系統(tǒng)的礦井氣流分布和設計參數(shù)Tab.1 Mine airflow distribution and design parameters of underground ventilation system in coal mine

4.2 系統(tǒng)應用控制流程

在本礦井通風機的自動控制系統(tǒng)中，有一臺為工作風機，而另一臺為備用風機。如果工作風機因故障而導致停機時，備用電機能夠啟動，保證了生產(chǎn)的正常運行。而傳統(tǒng)的備用機切換都是需要人工來進行切換的。然而，在這種傳統(tǒng)的工作控制方式下，只有在工作風機因故障停止運行時，才啟動備用風機進行運轉。那么這個時候，就會出現(xiàn)一臺風機使用頻繁的問題，通風機的長時間運行就會使得風機設備的機械磨損以及線路老化等不可控因素，在一定程度上大大縮短了通風機的壽命。而不經(jīng)常使用的備用風機也會因為長時間的停機不使用，導致風機設備的生銹、電氣故障等問題，同時也會使得風機的壽命大大縮短。

為了解決以上的問題，就必須使雙風機的工作時間進行均衡，提高它們的利用效率。在此可以使雙風機進行自動工作，通過對時間的設定，可以保證兩臺風機的均衡工作，使得它們互為備用。這樣就可以減少兩臺風機因工作不均衡而導致的壽命減少。具體控制流程如圖6所示。通過系統(tǒng)自動化的轉換控制，防止人工操作可能出現(xiàn)的差錯，滿足了礦井通風機的工程應用需要。

圖6 風機倒換流程示意Fig.6 Schematic diagram of fan switching process

5 結語

針對煤礦通風機日常的運行狀況，本文設計了以嵌入式計算機為核心的通風機監(jiān)測和預警系統(tǒng)。實現(xiàn)了對通風機運行關鍵參數(shù)的實時監(jiān)控。它還可以及早發(fā)現(xiàn)常見故障，為通風機的可靠運行提供強有力的技術支持，實現(xiàn)了無人值守通風機的目的。整體系統(tǒng)基于Delphi程序語言，開發(fā)了控制系統(tǒng)軟件，對通風系統(tǒng)中的主要通風機進行監(jiān)測和故障預警。

現(xiàn)場應用表明，該系統(tǒng)具有成本低，適用性強和實用性強的優(yōu)點。研究為提高煤礦通風機的監(jiān)測和預警水平提供了指導，這也可以應用于其他非煤礦的無人值守系統(tǒng)研發(fā)。