地下鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化與改造

解利俊 王思潮 徐天偉

摘? 要：針對(duì)石人溝鐵礦井下生產(chǎn)延伸導(dǎo)致的通風(fēng)系統(tǒng)不能滿足通風(fēng)質(zhì)量要求、未實(shí)現(xiàn)三級(jí)通風(fēng)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程集中控制和監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)電控未聯(lián)網(wǎng)等問(wèn)題，本文做了風(fēng)機(jī)站布局調(diào)整、通風(fēng)機(jī)站遠(yuǎn)程集控改造、監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化等方面的系列研究，取得通風(fēng)系統(tǒng)覆蓋至井下生產(chǎn)最低中段-210m水平、在地表調(diào)度室集中監(jiān)測(cè)與控制風(fēng)機(jī)啟停和監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)電控聯(lián)入工業(yè)以太網(wǎng)的效果。

關(guān)鍵詞：通風(fēng)；監(jiān)測(cè)監(jiān)控；集中控制；自動(dòng)化

石人溝鐵礦三期工程井下采礦采用兩翼對(duì)角抽出式的通風(fēng)系統(tǒng)，三級(jí)機(jī)站通風(fēng)模式，利用三期副井、斜坡道作為進(jìn)風(fēng)通道，南回風(fēng)井、北回風(fēng)井作為回風(fēng)通道。Ⅰ級(jí)風(fēng)站在-180m水平7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)天井聯(lián)絡(luò)道處各設(shè)一臺(tái)通風(fēng)機(jī)，通風(fēng)機(jī)型號(hào)為K40-8-NO.14型；Ⅱ級(jí)機(jī)站設(shè)在-60m水平南、北回風(fēng)井聯(lián)絡(luò)道，南二級(jí)風(fēng)機(jī)站安裝K40-8-NO.23型通風(fēng)機(jī)1臺(tái)，北二級(jí)風(fēng)機(jī)站安裝K40-8-NO.22型通風(fēng)機(jī)2臺(tái)；Ⅲ級(jí)機(jī)站設(shè)在南、北回風(fēng)井井口，南風(fēng)井采用DK45-6-NO.19型通風(fēng)機(jī)4臺(tái)；北風(fēng)井采用DK45-6-NO.20型通風(fēng)機(jī)4臺(tái)。

1.研究背景

隨著生產(chǎn)過(guò)渡期采礦工程的延伸，井下新增-210 m中段作為-180 m中段的生產(chǎn)延續(xù)，原通風(fēng)系統(tǒng)不能滿足延伸生產(chǎn)需要，必須對(duì)現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

三級(jí)通風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制啟停及狀態(tài)監(jiān)測(cè)。主要原因是一級(jí)風(fēng)站風(fēng)機(jī)均為現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)柜采用直接啟動(dòng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制啟停與監(jiān)測(cè)。其中二級(jí)、三級(jí)通風(fēng)機(jī)控制柜前期已進(jìn)行了PLC控制改造，已具備遠(yuǎn)程控制啟停功能[1]。

通風(fēng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)落后?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備為獨(dú)立系統(tǒng)，僅能采集風(fēng)速，風(fēng)壓傳感器采用頻率輸出信號(hào)，礦山網(wǎng)絡(luò)控制中心不能對(duì)電氣控制部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取監(jiān)測(cè)。調(diào)度室監(jiān)測(cè)后臺(tái)軟件陳舊，僅為圖表顯示，人機(jī)界面可視化水平低，調(diào)度人員不能直觀觀測(cè)到數(shù)據(jù)異常情況?，F(xiàn)場(chǎng)有毒有害氣體監(jiān)測(cè)不完善，不能滿足井下環(huán)境監(jiān)測(cè)的需要。

2.通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改造方案

2.1 風(fēng)機(jī)布局調(diào)整情況

Ⅰ級(jí)風(fēng)站在-180m水平7號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、15號(hào)天井聯(lián)絡(luò)道處各設(shè)一臺(tái)通風(fēng)機(jī)，其中7號(hào)、9號(hào)天井聯(lián)絡(luò)道通風(fēng)機(jī)型號(hào)為K40-8-NO.14型，10號(hào)、15號(hào)天井聯(lián)絡(luò)道通風(fēng)機(jī)型號(hào)為FK NO.14型通風(fēng)機(jī)，在-195m水平和-210m水平13號(hào)天井聯(lián)絡(luò)道處各設(shè)一臺(tái)通風(fēng)機(jī)，-195m水平通風(fēng)機(jī)型號(hào)為K40-6-NO.9型，-210m水平通風(fēng)機(jī)型號(hào)為FK NO.14型；Ⅱ級(jí)機(jī)站設(shè)在南、北回風(fēng)井聯(lián)絡(luò)道，南風(fēng)井采用K40-8-NO.23型通風(fēng)機(jī)1臺(tái)，北風(fēng)井采用K40-8-NO.22型通風(fēng)機(jī)2臺(tái)；Ⅲ級(jí)機(jī)站設(shè)在南、北回風(fēng)井井口，南風(fēng)井采用DK45-6-NO.19型通風(fēng)機(jī)4臺(tái)；北風(fēng)井采用DK45-6-NO.20型通風(fēng)機(jī)4臺(tái)。

冬季在副井和輔助斜坡道利用空氣加熱器和防凍一體機(jī)對(duì)入井空氣進(jìn)行加熱，預(yù)熱到+2℃再送入井下。

-180m至-210m中段開(kāi)采：-180m中段的新鮮風(fēng)流經(jīng)三期副井、斜坡道進(jìn)入井下區(qū)域，其中由三期副井進(jìn)入的新鮮風(fēng)流經(jīng)-180m中段運(yùn)輸巷道、穿脈運(yùn)輸巷道、天井聯(lián)絡(luò)道、進(jìn)風(fēng)天井進(jìn)入需風(fēng)工作面，由斜坡道進(jìn)入的新鮮風(fēng)流經(jīng)斜坡道聯(lián)絡(luò)道、沿脈巷道、穿脈巷道進(jìn)入需風(fēng)工作面，從兩條路徑需風(fēng)工作面返回來(lái)的污風(fēng)經(jīng)各穿脈回風(fēng)天井、-60m回風(fēng)平巷，從地表南、北風(fēng)井抽出。

-210m中段的新鮮風(fēng)流由三期副井、斜坡道經(jīng)進(jìn)風(fēng)天井（-180m～-210m）及采區(qū)斜坡道進(jìn)入-210m中段需風(fēng)工作面。7號(hào)、9號(hào)天井為進(jìn)風(fēng)天井，并在-180m水平天井聯(lián)絡(luò)道處安裝通風(fēng)機(jī)，利用10號(hào)、13號(hào)、15號(hào)通風(fēng)天井作為-210m中段的進(jìn)風(fēng)天井，并在-180m水平10號(hào)、15號(hào)通風(fēng)天井聯(lián)絡(luò)道處安裝通風(fēng)機(jī)，在-195m水平和-210m水平13號(hào)通風(fēng)天井聯(lián)絡(luò)道處安裝通風(fēng)機(jī)。

-180m有軌運(yùn)輸中段的新鮮風(fēng)流由三期副井、斜坡道進(jìn)入井下區(qū)域，通過(guò)中段運(yùn)輸巷道、穿脈運(yùn)輸巷道進(jìn)入需風(fēng)工作面，返回的污風(fēng)經(jīng)回風(fēng)天井、-60m回風(fēng)平巷，從地表南、北風(fēng)井抽出。變更后生產(chǎn)過(guò)渡期通風(fēng)系統(tǒng)示意圖如圖1，變更后Ⅰ級(jí)機(jī)站風(fēng)機(jī)配置情況見(jiàn)表1。

2.2? 通風(fēng)機(jī)站遠(yuǎn)程集中控制改造

使用西門(mén)子S7-200 系列PLC和數(shù)字量、模擬量模塊對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行開(kāi)停狀態(tài)、電流、電壓、電機(jī)溫度、振動(dòng)等參量進(jìn)行采集與監(jiān)測(cè)，并通過(guò)上位機(jī)遠(yuǎn)程集中控制，以實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)站遠(yuǎn)程集中控制。

2.2.1? 控制原理

本次改造將表1所示的6臺(tái)機(jī)站啟動(dòng)柜更換為PLC控制啟動(dòng)柜，控制柜內(nèi)設(shè)備主要包括S7-200 SMART PLC模塊、AE04模擬量模塊、AR04模擬量模塊、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、威綸通觸摸屏、24V開(kāi)關(guān)電源等。PLC模塊為核心控制單元，用于數(shù)據(jù)采集與輸出控制，通過(guò)網(wǎng)線與工業(yè)以太網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊；AE模擬量擴(kuò)展模塊用于采集風(fēng)速、風(fēng)壓、有毒有害氣體和振動(dòng)等傳感器的4～20MA模擬量信號(hào)；AR模擬量擴(kuò)展模塊用于采集前后軸承及繞組的溫度信號(hào)；威綸通觸摸屏用于風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示和風(fēng)機(jī)啟?？刂啤？刂乒裨硪?jiàn)圖2。

2.2.2? 基礎(chǔ)通信改造

一般用于工業(yè)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的主要方式有RS485總線、CAN總線和工業(yè)以太網(wǎng)，傳輸介質(zhì)為銅纜和光纜，但使用銅纜進(jìn)行傳輸存在以下弊端：一方面，需根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型，使用專用的線纜，不能混用；另一方面，不同的工控設(shè)備的接口不盡相同，由于使用銅纜，傳輸介質(zhì)不能混用，需要鋪設(shè)多條銅纜。而光纜與銅纜相比具有容量大、傳輸帶寬更寬、電磁干擾抵抗力強(qiáng)和可兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)的需求，利用各類(lèi)光電轉(zhuǎn)換通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)與工業(yè)以太網(wǎng)的連通，達(dá)到共用一條光纜線路的目的，實(shí)現(xiàn)高容量通信和簡(jiǎn)化布線結(jié)構(gòu)的效果。在此次改造中需要增加12芯光纖2500米，新增交換機(jī)及光模塊見(jiàn)表2。

2.2.2? 通訊協(xié)議

通風(fēng)質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該具有Web聯(lián)網(wǎng)功能，便于上級(jí)部門(mén)或各級(jí)應(yīng)急管理部門(mén)聯(lián)網(wǎng)和檢查時(shí)，隨時(shí)調(diào)取實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)。原通風(fēng)質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用獨(dú)立的、專門(mén)的軟、硬件解決方案，雖然能解決聯(lián)網(wǎng)查詢功能，但監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與電控系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，不能真實(shí)、全面的反映通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，因此，集控系統(tǒng)與Web服務(wù)器之間需要有一套通信協(xié)議或接口，本次系統(tǒng)改造使用目前國(guó)際主流的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議MQTT，是IBM開(kāi)發(fā)的即時(shí)通訊協(xié)議[2]。目前，主流的軟、硬件廠商都對(duì)TQTT協(xié)議提供了支持，并且已有多個(gè)專門(mén)用于數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的代理系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用，本次系統(tǒng)改造使用該協(xié)議將集控系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳至代理系統(tǒng)服務(wù)器，并通過(guò)二次開(kāi)發(fā)的Web服務(wù)器將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化，以便于各個(gè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)調(diào)取與深入分析研究。

2.2.3? 服務(wù)器及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一級(jí)風(fēng)站、二級(jí)風(fēng)站、三級(jí)風(fēng)站將PLC采集的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)上傳至帶MQTT協(xié)議的威綸通HMI，再上傳至存儲(chǔ)服務(wù)器主機(jī)上。該平臺(tái)系統(tǒng)為三層架構(gòu)模式，即“云端服務(wù)器->觸摸屏->傳感器&控制器”的架構(gòu)模型。“傳感器&控制器”是指可以用來(lái)采集、測(cè)定數(shù)據(jù)的如風(fēng)速、風(fēng)壓傳感器或者是可以被控的設(shè)備如變頻器、啟動(dòng)柜，下位機(jī)PLC再采集控制各類(lèi)設(shè)備的數(shù)字量、模擬量或RS485信號(hào)；“觸摸屏”是上位機(jī)，其通過(guò)網(wǎng)線與PLC設(shè)備和交換機(jī)進(jìn)行通訊，用途是將PLC設(shè)備采集測(cè)定的數(shù)據(jù)發(fā)送到云端服務(wù)器或通過(guò)人機(jī)界面將需要控制的操作或數(shù)據(jù)返回給PLC設(shè)備；“云端服務(wù)器”包括網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器、虛擬化管理服務(wù)器、存儲(chǔ)服務(wù)器，服務(wù)器上部署數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶可以在部署的工業(yè)以太網(wǎng)內(nèi)通過(guò)客戶端（電腦）以瀏覽器的形式訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，并以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)與監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)調(diào)用與監(jiān)測(cè)顯示[3]。監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)包括顯示所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表、曲線、打印等。

2.3? 可視化平臺(tái)系統(tǒng)

系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)模式設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于數(shù)據(jù)傳輸之上的，軟件開(kāi)發(fā)采用B/S架構(gòu)。辦公室人員通過(guò)瀏覽器登陸系統(tǒng)完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表、曲線、打印等操作。

2.3.1? 軟件功能

（1）軟件支持MQTT協(xié)議，通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)方式同現(xiàn)場(chǎng)終端通信。

（2）支持瀏覽器登錄網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)系統(tǒng)。

（3）系統(tǒng)支持定時(shí)主動(dòng)上報(bào)+ 事件告警主動(dòng)上報(bào)+ 定時(shí)問(wèn)詢 + 即時(shí)召測(cè)。

（4）軟件模塊化設(shè)計(jì)，主要包括系統(tǒng)信息、測(cè)點(diǎn)信息、在線監(jiān)測(cè)、歷史記錄、報(bào)表分析、日志管理等功能。

2.3.2? 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

在井下一、二級(jí)風(fēng)機(jī)站和地表三級(jí)風(fēng)機(jī)站的配電室及主要通道處設(shè)置視頻監(jiān)控系統(tǒng)。硬件設(shè)備包括海康威視的硬盤(pán)錄像機(jī)及攝像頭、希捷硬盤(pán)、交換機(jī)和顯示器，機(jī)站現(xiàn)場(chǎng)安裝攝像頭和交換機(jī)，攝像頭通過(guò)網(wǎng)線與交換機(jī)連接，調(diào)度室內(nèi)搭配帶硬盤(pán)的硬盤(pán)錄像機(jī)、交換機(jī)和顯示器，硬盤(pán)錄像機(jī)分別與交換機(jī)和顯示器通訊連接，硬盤(pán)容量依據(jù)搭載攝像頭數(shù)量和像素進(jìn)行選型，保障存儲(chǔ)時(shí)間高于1個(gè)月，以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀況和周邊環(huán)境視頻資料的實(shí)時(shí)監(jiān)控與歷史回放，便于制定應(yīng)對(duì)措施[4]。

2.3.3? 現(xiàn)場(chǎng)傳感器情況

對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)傳感器進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，將原獨(dú)立的通風(fēng)質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造為接受傳感器輸出4-20mA電流信號(hào)的開(kāi)放式系統(tǒng)平臺(tái)，接入到風(fēng)機(jī)運(yùn)行電氣控制中。使用超聲波旋渦式風(fēng)速傳感器替代原系統(tǒng)的皮托管風(fēng)速傳感器，有效降低污風(fēng)中粉塵和水汽對(duì)傳感器的影響，降低維護(hù)工作量，提高傳感器的使用壽命，選用26PC系列硅壓力傳感器提高介質(zhì)的測(cè)量兼容性；有毒有害氣體傳感器方面，在-180m、-195m和-210m水平生產(chǎn)中段的13#穿進(jìn)風(fēng)巷和14#穿回風(fēng)巷靠近采場(chǎng)位置增設(shè)NO2和CO傳感器。在-180m水平避災(zāi)硐室增加CO、CO2、O2、溫度、濕度和大氣壓檢測(cè)報(bào)警裝置[5]。

3.改造后的效果

經(jīng)過(guò)對(duì)井下通風(fēng)系統(tǒng)的一系列改造，優(yōu)化了一級(jí)風(fēng)機(jī)站的布置位置及數(shù)量，確保了井下通風(fēng)質(zhì)量，滿足了生產(chǎn)安全需要；完成對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程集中控制改造，實(shí)現(xiàn)機(jī)站現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)人值守，可減少崗位值守人員16名；對(duì)通風(fēng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，加入了電控部分，優(yōu)化了風(fēng)速、風(fēng)壓傳感器，新增了有毒有害氣體傳感器，監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)滿足聯(lián)網(wǎng)要求，同時(shí)將井下通風(fēng)系統(tǒng)狀況動(dòng)態(tài)的顯示在監(jiān)控主畫(huà)面上，實(shí)時(shí)顯示風(fēng)速、風(fēng)壓、風(fēng)量、風(fēng)機(jī)開(kāi)停等狀態(tài)數(shù)據(jù)，提高了可視化水平。在石人溝鐵礦調(diào)度室內(nèi)就可以完成一、二、三級(jí)風(fēng)機(jī)站統(tǒng)籌管控，同時(shí)，整合通風(fēng)質(zhì)量監(jiān)測(cè)和運(yùn)行控制兩個(gè)系統(tǒng)后，實(shí)時(shí)對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄，當(dāng)設(shè)備發(fā)生異常時(shí)候，能第一時(shí)間做出反映并制定切實(shí)可行的檢修方案，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命，降低了通風(fēng)質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的維護(hù)工作量。總之，本改造的實(shí)施具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

4.結(jié)語(yǔ)

石人溝鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與改造的成功，推動(dòng)了礦山科技化轉(zhuǎn)型發(fā)展，走出了一條科技強(qiáng)企的發(fā)展之路，同時(shí)為該行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新積累了經(jīng)驗(yàn)，起到了示范作用。

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作者單位：河鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司石人溝鐵礦