井下按需通风自动化系统的设计与改造

李宪英

摘 要：基于供给侧改革的研究前提下，我国的综合国力和经济实力取得显著提高，同时促进了自动控制领域的发展。在原有的井下通风控制系统的研究层次上，采取一系列的改造方案，使通风系统更加适应现代矿井工程建设。本文依据井下通风自动控制系统的优化改造作为入手点，分析了井下通风系统存在的共性问题，论述了井下通风自动控制系统的改造方案与要求，阐述了通风控制系统方案的设计，为我国矿井开采领域提供借鉴价值。

关键词：井下;通风自动控制;系统设计;改造

中图分类号：TD724 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）22-0092-02

矿井通风控制系统在井下生产作业安全中占据重要地位。在井下通风自动控制系统，能够方便井下生产作业，使生產程序更加具有高效性和安全性。在传统的井下通风控制系统上，一般采用继电装置构成控制系统，由人工操作的方式完成。传统井下通风控制系统在动态监控和实时控制能力方面存在严重弊端。为此，解决传统井下通风控制系统所面临的问题，必须采取现代化控制手段，对通风控制系统进行自动控制升级改造，以适应现代化井下生产作业。对井下通风控制系统的改造，可以从系统改造和控制方案设计两个方面入手，来实现通风系统运行的准确性和实时性，这在矿井运行安全中占据重要的地位。

1 针对于井下通风控制系统存在的问题分析

一般来说，矿井通风系统一般采用机械通风的方式，而这种方式在实际的工作运行中会出现风机或者局部风机风流循环风、机配套设备不足以及风网不匹配等问题。这对井下通风系统的效果产生了严重的影响。

1.1 风机与风网不相匹配的问题分析

风机同风网不匹配，这是井下通风系统存在较为严重的共性问题，风机与风网不相匹配都会导致通风系统的整体通风效果大大降低。为此，在风机选型阶段，需要考虑装置效率以及网络匹配度和运行稳定度等原则。同时井下通风系统具有复杂多变的特点，也是导致风机与风网不匹配的一个原因。一是，风机性能与通风系统不匹配，导致工况点始终处于低效率运行，进一步造成过多的能源浪费问题。同时，也无法满足正常的生产需要;二是，在井下通风系统的设计中，由于多个风井矿井和风机之间具有相互的影响，导致中断风流分配的问题。另外，当多台风机串并联工作时，将会严重降低其安全性和稳定性，也会导致井下风量供给不足[1]。

1.2 风机站设计安装的位置问题分析

在井下通风系统设计阶段，风机站位置的选择对于整个矿井通风系统的功能发挥着巨大的作用。风机站的位置选择不恰当，会导致井下不同风量供给存在不均，容易出现问题，如风流停滞循环等，进而威胁井下工作人员的生命健康[2]。除此之外，有些矿井进风机的位置一般设于主运输中，则会造成以污染的风流经由回风天井进入上一作业区间，进一步引发上区间风流污染问题。

1.3 风流局部循环的问题分析

通风控制系统的风流循环通风一般分为两类：一是内部循环;二是外部循环。在内部循环方面，因为机站内通风构筑物配置不完全或者配置出现故障问题，则会导致内部产生循环。另外，当需要将风机站安装于运输区间时，为了尽量避免影响系统的正常运行，需要将风机站设置于绕巷道。与此同时，增加相应的通风保护系统。

1.4 自然风压的问题分析

自然风压是指导致井下发生空气流动的一种天然因素。造成自然风压的强弱直接关乎于进风井与回风井内的温度差异。一旦进风井和回风井的温度差异越大，则产生的自然风压也就越大。一般来说，冬季阶段自然风压对于矿井通风是有好处，但是在夏季阶段则不利于矿井通风[3]。

2 针对于井下通风控制系统的改造分析

现阶段，随着科学技术的不断完善，在自动化控制技术在井下通风系统中的应用较为显著。对此，自动控制系统的设计与改造在构成上主要分为现场分散检测系统和集中控制系统[4]。另外，还需要在矿井生产的各个关键环节设置监控点，有效地对井下生产的风量温度以及有害气体实现实时监控，并将监控所得的数据传输到计算机，以便计算机能够对监测的数据实现综合化管理与分析，得出最佳的风量控制方案，进一步实现对通风机的实时调节，以实现运行控制的自动化。

2.1 井下通风控制系统的基本要求

采用自动控制系统，重要因素在于井下通风机的自动监控系统的性能优良性。目前，自动控制系统分为两个方面：一是，风机动力变电监控系统;二是，风机运行参数自动控制系统。在井下通风控制系统的核心方面主要分为三个，现场参数、风机运行参数以及高压开关柜。在现场参数方面，需要对井下施工作业的风量、风速以及气体浓度压强等参数进行实时监测。另外，还需要对风机运行的物理变量，如电压、电流、功率等参数进行监测，出现异常，则说明风机出现故障。

2.2 井下通风控制系统的总体设计方案

2.2.1 井下通风网络的设计与优化

在井下施工作业的中后期，会根据实际需要布置一些串并联巷道，这便导致在施工作业方面的难度和复杂程度都在一定程度上优于施工前期，与此同时对整个通风系统的设计要求更高。对此，需要加强对通风设置监管工作，并且注意巷道封闭工作，避免了风流短路等安全隐患，进一步改善和矿井的通风问题，最终优化整个通风网络的设计，以提高矿山企业的经济效益。

2.2.2 井下局部通风与自然风压的设计与优化

由于整个矿井通风是一个复杂的结构，需要在设计时，注意对局部通风的自动化技术完成优化改造。比如，可以利用湿式凿岩的方法，并根据实际需要，准备适用于局部的风扇;在进行爆破工作后马上进行喷水，或者通过佩戴相应仪器随时检测身体状况等。除此之外，在自然风压的设计优化上，需要充分考虑自然风压对风机造成的影响。在冬天时可以采用自然风压，进一步提高通风质量，从而降低通风资金成本;在夏天时可以采取有效的措施，以预防自然风压所带来的影响，保证施工的正常进行。

2.2.3 传感器参数的设置与优化

除此之外，在现场作业施工时，参数的设置包括环境参数设置和风机运行参数设置。参数的实时监测，在井下作业面各个监测点安装传感器装置，实现井下各项参数的实时监测，并将监测数据通过井下的工业以太网，传输控制中心，实现实时监测与控制。

2.2.4 借助以太网完成系统模块的优化

目前，井下通风自动控制系统主要依赖于互联网，构建三级网络结构在组成方面具有工业级的多端口转发装置、系统防火墙装置、网关装置、以太网转换装置、数字模拟信号转换装置、模拟信号输入装置、开关量输入装置、模拟量输出装置等。由于组成系统模块所涉及较多，所以必须采取行之有效的自动化总体设计方案，以便适应井下通风系统的工作效率。现场PLC中央控制单元则依据以太网总线装置，实现串口和远程独立监测点的相互连接，在采用通讯端口时可以应用RS485类型的通讯端口;应用的信道一般为高速有线信道或者光缆信道[5]。

3 针对于井下通风控制系统软硬件升级设计分析

在井下通风系统的自动化设计阶段，具有自动化控制、手动控制以及检修控制三个方面。使用相应的电气设备，以实现自动控制系统的改造与升级。借助PLC系统控制通风，并依据系统组态的控制方式展开实时自动化监控，在监控过程可以按照预设组态的方式，将控制模块由实时转换为手动控制模式。

3.1 在自动控制系统的硬件方面分析

井下通风作业现场一般采用集散控制系统。在选择设备上可以选择工业级计算设备作为上位机，借助无线网络和PLC控制单元相互接通，并将所监测的数据以及参数通过在井下安装的传感装置输入输出装置、数模转换装置，实现参数的实时传输，进一步完成对通风设备的实时变频调控。在参数设置方面，一是，根据PLC设备能够实现的基本功能来合理设置参数要求;二是，采用工业级计算机，使CPU的主频需要在2兆赫兹以上，CPU的内存则不应小于2MB。三是，安装的传感装置需要具有安全性和稳定性;四是，在应用智能变频装置和继电装置以及控制单元时，需要保证硬件系统的完整性以及功能性。除此之外，可以选择数字智能显示仪表，其操作单元也需要具备一定的防爆性和防水性[6]。

3.2 在自动控制系统的软件方面分析

在井下通风控制自动化系统的软件设计阶段，由于采用了PLC控制程序，在设计编程语言上一般为梯形图语言，这可以完成继电装置、接触器装置的综合实现，并使操作人员能够简单明了的理解电气运行原理。在基础设置方面，一是，需要遵循继电装置系统的电路图，并通过经验设计法完成数字量系统的快速设计;二是，根据复杂系统选用顺序控制梯形图的设计方案，以便将复杂系统简单化;三是，根据PLC供应商对继电气装置应用的语言，依照顺序梯形图进行合理设计。

总之，在井下通风控制系统的设计改造阶段，软件设计具有灵活多变的设计理念，这也方便了对系统后续的拓展与升级。另外，可以按照施工设计的规章制度，完成风机参数、电机参数以及气体浓度等检测，并将检测数据通过传感器传输到PLC控制数据终端进行数据分析，以便完成自动化控制。除此之外，在系统存在除尘需求时，可以将电机频率设置为25Hz，借助多个变频方式的组合控制以实现除尘功能。同时在软件设计方案上PLC反馈系统对风机转速变化时的控制输出变化，调整阶段可以根据电机的多级调速功能，以实现电机的控制。

4 结语

综上所述，矿井通风系统作为矿山能耗的重要组成部分，每年能源的消耗量占据矿井总量的三成，所以实施井下通风自动控制系统的设计改造，能够有效的降低通风成本，这也是矿井作业的基本保障。通过井下通风自动控制系统的设计改造，能够提高施工作业的运行效率，实时监测施工现场运行数据，并实现数据的高效采集，将采集的数据传输到PLC的控制系统实现数据的分析。为此，基于PLC技术的通风控制设计优化，能够实现控制系统与作业现场的相互隔离，从而实现远程无线通讯的畅通，以保证数据传输的准确性和高效性。与此同时，在PLC系统内部，则根据传感器檢测到的参数，按照一定的逻辑控制程序，实现风机的启停等功能，满足矿井按需通风的需求。通过井下通风自动控制的优化改造，使施工作业具有高效性和可持续性，极大程度的保证了井下施工人员的生命健康，这对于矿井的经济效益具有全面的作用。

参考文献

[1] 李慧宾.煤矿井下通风自动化的改造[J].电子技术与软件工程，2019，156（10）：144-145.

[2] 牛振涛.煤矿井下通风阻力测定及系统改造优化[J].能源与节能，2019（5）：34-35.

[3] 梁士军.煤矿通风系统的安全性及优化设计[J].石化技术，2019（3）：170.

[4] 文达.某金矿深部通风系统优化方案对比[J].现代矿业，2019（2）：184.

[5] 霍东贝.煤矿主通风机系统改造与智能调控研究[J].当代化工研究，2019，40（04）：128-129.

[6] 吴丰全.基于DSP的煤矿通风双局扇监测控制系统的研究[J].机械管理开发，2019，34（03）：221-222+235.