金属矿山井下主扇风机远程实时监控系统的研究及应用

高连月 徐德亮 周雨松 陈 思

（1.中钢集团安徽刘塘坊矿业有限公司，安徽 霍邱 237471；2.西安利雅得电气股份有限公司，陕西 西安 710075；3.安徽省金建工程技术有限公司，安徽 马鞍山 243000）

金属矿山矿井通风系统利用主扇风机提供动力，不断地从地面向井下供给新鲜空气，并将工作中产生的炮烟、粉尘等有毒有害气体及时排出［1］，保障井下工人安全和身体健康。计算机和自动化技术的发展有力地推动了矿井通风的智能化、自动化。计算机远程实时监控系统由矿井通风智能、自动控制的原理、关键技术及其系统组成。以“按需供风”理念，将井下气候条件参数信息采集处理技术、控制技术与通风系统有机融合，根据井下作业情况，对井下通风系统风机实时远程集中控制，满足通风安全要求的同时节省能耗。以刘塘坊铁矿井下主通风机自动化控制为实例，提出了矿井实时调控模型，设计集成了矿井空气条件参数采集、高效可靠信息传输、通风状态智能分析与决策、通风设施/动力智能调控，实现了井下通风系统无人值守、地表远程操作及远程监控，矿井智能通风系统功能，增强井下通风设备安全运行的可靠性和经济性。

近年来，矿山开采向智能化、自动化方向转型发展。我国科研人员对金属矿山通风监控技术研究始于2000年，梅山铁矿实现了地表调度室对井下7个机站21台风机远程集中控制［2］，北铭河铁矿、冬瓜山铜矿、三山岛金矿等矿山相继建立了通风系统远程监控系统。目前，通风监测监控已成为金属矿山“六大系统”建设的重要的内容之一［3］，自动化监控全矿通风网络的运行状态参数，实现了矿井通风网络和主要通风机工况控制模拟解算、通风构筑物自动控制和远程控制、主通风机自动无级调节、一键式操作以及无人值守。

以往研究成果主要从矿井通风远程集中控制的系统组成、数据采集等开展了局部研究。本文根据刘塘坊铁矿井下通风系统实施的远程实时控制要求，围绕矿井通风智能实时调控的原理，建立了矿井智能通风的控风模型，论述了矿井实时智能通风构建，完成了该金属矿山井下环境实时调控技术。

1 矿井通风实时调控的原理

1.1 井下环境与通风系统状态实时监测

井下环境空气参数监测传感技术及装备组成矿井智能调控的信息采集系统，基于风网信息监测传感技术，通过风速风压传感器、有害气体传感器、风机运行状态及构筑物状态传感器等快速准确获取井下空气参数，通讯网路传输传至工控机信息反馈系统，经控制软件的识别分析，在线检测的井下环境空气参数与金属非金属安全规程规定限值比对，通过光缆、中继器等组成通讯网络传输到信息反馈系统，主扇风机、风门执行器按指令运行状态，由工业控制机动态显示，实现通风系统的实时反馈，如图1所示。监控参数主要是风速（风量）、风压、温湿度、有害气体浓度以及主风机、风门状态等。刘塘坊铁矿井下环境监控参数传感器布置在-400 m和-500 m水平进风巷、回风巷，-400 m水平风门、风机站及风门等，共设置监测站点12个。根据卡曼原理开发的一种智能型风速传感器，可以检测矿井下各种巷道、风口处的风速，并能通过遥控器进行现场调整。风压传感器用于连续测量矿井下的负压，具有多种标准信号制式输出，联检后能与生产监测监控系统配套使用。

1.2 通风设备设施调控原理

井下通风设备设施主要指主通风机、风门等，通风设备设施调控是把系统参数监测结果反馈到工业控制机，通过软件识别分析与标准的比对情况，发布指令驱动通风设备设施运行。井下各采区安装环境参数监测传感器，通过各区域控制系统反馈给各区域的通风设备设施，经过现场各实测数据系统自动计算所需风量反馈到工业控制机并相互印证。井下通风设施状态的变化涉及通风系统风量重新分配，由通风计算软件及时反映在各区域的通风控制系统中，形成闭路循环，见图2。

采区通风调节多采用风门，风门执行器使用0～10 V模拟量调节信号，0～10 V信号对应0～90°的转角。执行器角度反馈对应于0～10 V信号，通过模拟量采集模块采集供给上位机。模拟量输出模块将模拟信号传递给风门执行器后，风门执行器调节风门角度，从而改变巷道的有效过风断面积，据此得到不同巷道风速（风量），最终达到对不同区域的需风量参数调控。

矿井主通风机控制系统采用“变频器+PLC控制+远程监控”的模式。通过1台变频器为风机电机供电，每台变频器拖动1台风机的电机。配备了2套PLC控制系统，实现风机的自动控制和参数监测。利用高精度的差压、负压传感器，依靠PLC高速的数据处理能力，实现风量的准确计算；实现风机的自动控制及运行参数（风量、负压、电流、电压、振动、温度等）的在线监测；配备综合保护装置或利用硬件接口实现与PLC控制系统的连接，能为PLC控制系统提供必要的参数和状态，同时也能接受PLC的分合控制。

2 矿井通风实时调控系统设计

2.1 远程控制系统

该系统以西门子S7-300 PLC及西门子G130变频器为控制核心，主要包含风机风速、负压、振动、温度等实时监测系统，风机就地/远程控制系统。按照预编程序，并结合井下实际的风量需求，主要完成对风机的启停、变频及反风控制，以及对风机运行状态如风速、负压、温度等实行在线监测、显示、控制、保护、报警、记录和管理，从而实现风机运行的远程自动化控制、监视和管理。通过井下各水平井口风速传感器、采场CO传感器及NO2传感器反馈数据及主扇风机的各运行参数，在井上集控中心远程控制主扇风机运行［4］，调节风机风速，如图3所示。

监控系统采用1台远程上位集控计算机和1台监视计算机，实现远程控制与监视通风机和风门运行状态信息。上位机监控平台选用西门子Wincc软件，该软件具有丰富良好的性能，具有模块化功能和线性化结构，注释完整齐全，并附有辅助图表说明。Wincc监控软件支持OPC开放式互联协议，方便矿井综合信息系统的具体实施。整个系统通过光纤与井下风门、风机控制系统联接在一起。

远程控制系统的工作方式如下：

（1）本地控制。当PLC或系统出现故障不能进行远程控制时，可以本地启动操作风门、主扇风机。

（2）远程控制。集控室操作人员根据井下所需风量实时调节风机风速并控制风机的启停。

（3）变频调控。根据井下监测数据对风门、主扇风机实时变频调节。

2.2 远程控制系统的设计

2.2.1 系统的硬件设计

（1）变频调速系统。变频调速系统由2台600 mm×2 200 mm×1 200 mm（宽×高×深）柜体组成，主要包括主回路进线开关、进线熔断器、接地保护检测系统、进线电抗器、变频功率单元、变频控制器、出线电抗器等。其结构如图4所示。SINAMICS G130变频器主要由2个独立的模块部件功率单元和控制单元组成，变频器整体构成如图5所示。

（2）PLC控制及风机在线检测系统。PLC控制及风机在线检测系统由1台800 mm×2 200 mm×1 200 mm（宽×高×深）柜体组成，主要设备有控制PLC、UPS电源、检测传感器、光口交换机、继电器、按钮及指示灯等。所控制对象主要为主扇风机、风门，分布在矿井中不同的中段，通风机采用变频调速装置，调节风门装置。

（3）风机远程集中监控系统。监控系统采用1台远程上位集控计算机，实现远程控制与监视风门、通风机运行状态信息。上位机监控平台选用西门子Wincc软件，该软件具有丰富良好的性能，模块化功能和线性化结构，注释完整齐全，并附有辅助图表说明［4］。Wincc监控软件支持OPC开放式互联协议，方便矿井综合信息系统的具体实施。整个系统通过光纤与井下风机控制系统联接在一起。

（4）辅助视频监控系统。辅助视频监控系统主要由-400 m主扇区域、-500 m主扇区域等部分组成，在相应局域配置对应的摄像机及辅助控制箱等，由网络交换机及光电收发器，通过光纤传输到集控室，通过视频TCP/IP网络融入集中视频管理系统，从而实现在集控室监控该区域前端的所有网络摄像机，可实现分组管理和控制，并能够实时存储前端的视频数据。

2.2.2 系统的软件设计

CU320-2 DP和安装在CompactFlash卡上的驱动软件共同组成了一套控制单元，并提供相应的接口，其中CU320-2 DP控制单元可以执行变频装置的通讯、开环和闭环控制功能。CompactFlash卡插到CU320-2DP插槽中，可以快速更换。

在该控制系统中，利用Wincc组态软件实现上位机监控系统的软件设计。Wincc组态软件的优点在于其具有良好的开放性和灵活性［5］。Wincc组态画面以三维动画形态模拟风门、风机的运行情况，可以实时显示高压开关柜及风机变频柜的分合闸状态、井下风速、CO浓度、NO2浓度；组态画面还可以显示电动机电流、电压、有功、无功、频率、功率因数、轴承电机温度、振动及装置转速。通过Wincc软件自动记录故障类型及故障的发生时间等历史数据，自动建立数据库，对于重要的通风工艺参数、电气参数自动生成趋势曲线，如发生故障报警时，监控屏幕会弹出报警画面，同时具备智能化信息语音提示和故障语音报警功能，如图6所示。

2.2.3 系统的通信设计

PLC控制系统通过CP343通讯模块将SIMATIC S7-300连接到工业以太网，具有10/100 Mbps全/半双工传输，自适应功能，采用RJ45接口通过网线与MOXA工业交换机进行连接，通过光纤与地面集控数据中心进行连接；地表管理人员可经工业以太网通过集控中心上位机对井下主扇风机进行远程调速控制，从而实现对井下主扇风机的远程控制。

3 控制系统的主要功能

该远程控制系统应用上位机对主扇风机工作状态进行监测、显示、报警及其他管理，其主要功能：

（1）远程启、停、调速功能。系统按照预编程序可对主扇风机进行远程启停控制，并根据井下生产情况，对风机进行调速，实现节能经济运行。

（2）监测参数实时显示功能。监控界面可显示以下参数：电机绕组温度、轴承前后端温度、风量、风压、电气参数（供电电压、运行电流、运行频率、有功功率、功率因数），并显示故障检测（变频器故障，电机过流等）结果及处理（如：紧急停车或自动重启）情况。

（3）运行曲线、报表统计功能。通过建立数据库，对重要运行参数生成趋势曲线和数据报表，并提供查询功能。各种报表参数均储存在硬盘中，可随时进行报表打印，便于管理部门进行数据分析，及时掌控设备的运行状况（图7）。

（4）视频监控功能。整个视频监控系统主要由-400 m主扇区域及-500 m主扇区域2部分组成，在各区域配置对应的网络摄像机及辅助控制箱，由网络交换机及光电收发器，通过光纤传输至井上集控中心，通过TCP/IP网络融入集控中心视频管理系统，从而实现监控后台对风机站内高压柜、电控柜及主扇风机运行状况的实时监控，视频监控系统配置见图8。

（5）主要保护功能。①由于井下主扇风机每天24 h运行不停歇，当风机轴承温度、电机轴承温度、电机定子温度超出预编程序内设置的保护值时启动超温保护，可实现温度超温报警，根据温度高低可自动实现风机停止运转［6］；②根据电机运行情况，在电机水平方向和垂直方向安装振动传感器，可实时测量电机水平方向和垂直方向的振动情况，可保护电机的正常运转；③通过总电流监视器，可及时检测到输出侧的接地故障，并关断接地中性线系统；④可检测到输出侧的短路（变频器输出端子上、电机电缆中、电机接线盒内等）保护，并关断变频器；⑤在超出过热阈值时，首先发出一条报警消息，如果温度继续上升，变频器就会自动关断，或可以分别调整脉冲频率或输出电流，以降低热负荷热过载保护，故障消除之后（如改善冷却）会自动恢复原始工作参数。

4 刘塘坊铁矿应用实例

4.1 刘塘坊铁矿通风系统现状

刘塘坊铁矿设计规模为生产原矿石150万t/a，开拓系统由主井、1#副井、2#副井和北风井组成。设计矿井总风量为218 m3/s，新鲜风流从1#副井及2#副井进入，首先经过运输巷及穿脉巷，再通过人行通风天井进入采场，完成工作面的洗涮之后，污风经回风天井到达回风水平，最后由回风井排出［7］。通风系统采用多机站抽出式通风，综合考虑刘塘坊铁矿压力分布及采场通风等实际情况，网路优化计算设置井下通风机及机站，选取风机见表1。

刘塘坊铁矿井下通风远程实时监控系统按照上述设计建设，通过一段时间试运行，井下通风系统分区控制与实时调节得以实现，运行参数监控见图6、图7。

4.2 实施效益分析

4.2.1 成本降低

（1）节约了电耗。根据矿井夏季冬季环境区别，按需调节风量，合理调整风机转速，避免浪费，每年可节电110万kW·h。

（2）减少了人力。实现“机械化换人、自动化减人”，设备自动化程度提高，能做到更全面的保护和数据化，降低了故障率，减少了人员维护和检修的工作量，实现了主扇风机的无人值守［8］。

（3）节约了备件。通过降低风机工作强度，可以延长风机的使用寿命。因为变频调速使得风机在大部分工作时间都以较低速度运行，从而大大降低了风机工作机械强度和缓解了电气冲击，有利于延长风机的使用寿命，降低维修强度，节约风机备件费用。

4.2.2 设备管理提升

（1）设备综合性能判定提升。上位机可实现报表系统，实时对现场设备各运行参数进行监测并形成数据报表和数据曲线，设备管理人员可根据设备运行的具体参数和曲线分析出设备的运行状况，结合精密点检，可提前对设备各项指标进行综合判定，以便提前做好备品备件计划。

（2）双重点巡检体系，设备管理更加精细化。维修人员在现场可定期对风门、风机及电控设备进行点巡检，集控中心操作人员可通过后台监控系统对风门、风机各运行参数进行点巡检，可组成维修—集控双重点巡检体系，设备管理更加精细化。

（3）完善维护保养体系。通过设备运行时间的自动统计，设备管理人员可直观地分析出设备的润滑周期及主要备件的更换时间，对风门、风机按时间合理进行润滑及维护保养，避免过保养和欠保养。

4.2.3 系统的开放性

将井下通风系统和井下有毒气体监测系统相结合，在各风机站及井下重点部位加装CO浓度、NO2浓度监测传感器，可以实时监测井下风机站及重点部位CO和NO2气体浓度。若测量点CO和NO2气体浓度超过报警值，对后台进行报警提示，此时自动控制系统通过远程操作加大主扇风机转速，井下风速加快、风量加大，有毒气体可快速地排出，保证了井下施工作业环境的安全。

5 结 论

针对金属矿山井下环境质量实时调节技术研究分析，以刘塘坊铁矿为例，建设井下主扇风机运行参数和风门状态远程实时监测监控系统，并稳定运行，得出如下结论：

（1）矿井实时调控通风技术通过工控计算机、远程数据采集与传输、控制模块、传感器、通信网络、监控软件等对全矿井下机站的风机、风门实行远程集中实时调节，实现了按需供风，从而保证稳定、经济地向矿井连续输送新鲜空气，将粉尘和炮烟等有毒有害气体稀释并及时排至地表，改善了矿井内的空气条件，保护人员安全与健康。

（2）刘塘坊铁矿实施了矿井主扇风机的远程控制改造方案后，通过变频器变频调节风机转速实现按生产需要从0～100%调节风量，减少了不必要的浪费，实现了变频软启动，避免了启动电流的冲击，节约了通风动力成本，每年可节电110万kW·h。

（3）远程控制系统具有完善的监控性能和很高的可靠性，提高了风机的工作效率和使用寿命，采用集中控制可以有效地缩短操作时间和响应时间，减少了检修和维护的工作量，最终实现了井下主扇风机的无人值守，使井下设备管理更精细化、精准化，提高了矿山管理水平。