矿井局部通风机智能控制系统的设计及应用分析

郝荣鑫

（潞安化工集团古城煤矿，山西长治046100）

确保巷道工作面的通风和防止瓦斯浓度超标是矿井巷道工作面的基本要求，确保巷道内的通风系统能够正常工作，对于保障工作人员的安全和生产效率有重要意义。为确保局部通风设备的正常运行，必须采取更为可靠的监视手段，目前有的采取仪表模拟显示的方法，有的则是使用专门的通风装置进行监视。目前我国煤矿大多使用模拟仪表，但是使用这种仪表存在许多问题，例如必须设置专职的工作人员24h进行现场值班，并对仪器表板的电子和气体的浓度进行记录，一旦出现通风设备运转不顺畅或出现问题，必须向地面监测中心报告，按照现场作业计划的指令进行换班和维修，这种方法不仅需要大量的人员和资源，而且很可能造成操作上的差错，既难以保证电力和煤气资料的实时收集和通风系统的稳定运转，也远远无法满足矿井少人、减人甚至无人的需要。针对某些特殊的通气机监视与监测，以达到通气设备的信息化，必须设计一台单独的、功能较强的、具有相应的软件和软件测试环境，以达到通风扇的工作状态。但是，这种方法的实际操作成本比较高。针对部分使用特殊通风设备进行监视与监测，以达到通气设备的信息化，必须要有一个单独的、功能相对独立的、与之相匹配的软件和硬件测试平台，以达到通风扇的工作状态的实时监控。但是，这种方法的实际操作成本比较高[1]。

潞安某矿为了解决矿井通风系统功能单一、数据信息量少、可靠性差等问题，潞安化工集团研制了KJ1303矿井通风监控系统，该系统的功能是通风监控，不仅可以作为一个单独的系统，而且可以与现有的矿井供电监控系统进行集成。该装置可实现对局部排风器的电力运行状况的监测，并实现对当前工作面的风量计算统计、当前风速计算统计、当前环境温度数据，当前环境湿度数据，当前气体环境浓度数据；通过对目前的一氧化碳环境浓度的分析，结合实测数据，对风压风量的变化进行了分析，确定了风压风量的大小，从而实现了对三个参数的实时调整，确保了工作面的有害气体浓度在安全范围内[2]。在确保安全的基础上，实现节能减排目标；同时，该系统还采用了移动电话和视频图像与监视设备的连锁机制，利用APP的管理软件，可以对整个平台进行全面的监测，从而达到对设备的自动控制，当系统出现故障时，可自动实现视频图像传输与报警功能。

在此基础上，研制并应用了一种新型的局部通风口智能控制系统，能够对其运行状况进行实时监测，保证其正常运行，保证矿井通风与安全生产，本系统将各种信息技术有机地结合起来，实现了系统的各项功能[3]。在此基础上开发和使用了这种新型的局域式通风口的智能化控制，可以对其工作状态进行实时监控，确保其正常工作，为矿井的通风和安全生产提供了可靠的保障，该系统集成了多种信息技术，并在系统中实现了相应的功能。

1 系统基本架构设计

KJ1303 矿井通风系统采用分层分布式系统结构，对局域通风机状态、运行参数及周围参数进行持续实时监测，并可多方向切换、启停，具备自动排气功能，具有一键快速送电，单机双机可实现自动开关操作。该系统具有完善的功能，操作便捷。可以以多种可视化的形式将风扇的操作数据和运行状态展现出来，支持数据状态信息的输出和打印，可以通过移动客户端或者WEB进行信息的实时监控。

该体系包括：远程监控装置、风机数据收集与转发分站、矿用隔爆式和本安式真空馈电开关、煤矿用防爆型和本安型真空电磁起动装置，矿用防爆和本安型直流稳压电源，矿用本安型气体传感器和矿用本安型温度传感器，矿用本安型风速传感器，矿用本安型一氧化碳传感器，矿用本安型震动传感器，矿井本安型网络摄影仪、光线通讯环网、环网交换器等主要设备[4]。图1为该系统的结构示意图。

图1 系统结构

实施后实际系统结构效果如图2所示。

图2 系统结构效果

2 系统运行原理过程

（1）在当地风机的装置处装有煤矿用的本安摄影仪、瓦斯传感器和温度传感器、风速传感器、一氧化碳传感器、震动传感器等等。

（2）矿用本安摄影机主要是通过视频的形式，实时、直观地传送当地风机安装点的影像资料。

（3）采用气体传感器对适用于矿井中0%～4%的CH4含量进行实时监控，并利用遥控调节零点、灵敏度、设定警报，在甲烷含量超过设定的警报范围后，利用该系统进行声光警报。

（4）温度感应器适用于有气体或煤粉有爆炸性的地方，并且没有明显的振动和冲击，没有破坏绝缘的腐蚀气体[5]。

（5）采用风速传感器对矿井下环境中0.4～15m/s的风速进行监测，并可通过遥控调节灵敏度，设定报警的阈值区间和报警方式，在风速小于下报警值或大于上报警值时，由该传感器依据报警方式设定报警信号，并根据报警方式设定报警信号。

（6）一氧化碳传感器是一种能够实时显示一氧化碳浓度的传感器，它可以实时显示矿井中的一氧化碳浓度，并可与矿井下的监测系统相配合。

（7）该系统通过对风机在风机起动和运转中的机械振动信号进行分析，并将其转换成数字信号，由本地风机监测子系统进行分析和传输，由地面计算机对其工作状态进行实时的分析，在发现数据异常时及时发出报警信号。

（8）利用声光报警系统对当地的通风分站进行监测，发现气体质量数据异常高，环境温度异常高，风速数据偏高；过高的一氧化碳含量数据或检测到一个传感终端和切换保护器终端通信异常、保护器保护或报警；当出现风机振动信号出现故障时，应立即启用声光报警装置，并将报警信息发送至现场的监控中心，以便通知现场员工和工作人员，对故障进行及时的处置。

（9）主风机真空电源开关/后备风扇真空电源开关，真空双电源真空电磁起动机开关，为风机供电。该开关内置保护装置，可对所携带的风机设备进行电流、电压、功率的控制，测量电量、功率因数等信息，遥控风机设备。收集风机设备的设备状况和故障信息，远程设置风机设备的参数设置等[6]。

（10）本地风机测试分站主做好矿井下各个部位的各个开度、低压的综合性防护，同时实现矿用本安摄影仪、瓦斯传感器、风速传感器与地面监控主站的通讯连接。数据通过光线环网在传感器与主站之间传递，同时接受主站发送的控制指令。

由于生产厂家的不同，系统内部使用的传感器、继电保护器、网络摄像机之间的兼容性存在一定的问题，根本原因在于通讯接口和通讯协议间的差别。为了保障通讯的稳定，需要借助检测分站实现数据的传输与中转，同时在系统内部实现通讯协议的统一。该系统包括MOXA型通信管理机、自动切换式逆变电源、光纤转接箱、GSM网络交换机等。分站上具有多样化的通信接口，通信介质，具有不同的通信速率。依据可自定义通讯规范，可以轻松整合各种收集的终端数据或扩充[7]。

（11）KJ1303 矿井内的局域式通风监测装置，通过地面交换机、入井环网和交换机网络，通过掘进机的局域式通风探测子台，用于采集井下所有的气体传感器的数据。通过对传感器数据终端、馈电开关集成保护数据终端等数据采集，采集到的多通道气体浓度数据和一氧化碳浓度数据，SO2浓度数据，矿井风流压力数据，风量数据，风速资料、环境温度资料、环境湿度资料等，以及风机控制电网的实时运行数据参数，并将其自动生成相应的实时报表表格、实时图表。

3 系统实际运行效果

经实地测试，从实际的测试数据分析，已达到了预定的设计目的，不仅可以迅速有效地完成对环境监测数据的传输，例如有毒气体浓度数据、电网数据、环境数据等，而且还可以从地面监测中心成功发布控制指令，同时实现了不同厂家的传感器、保护器、摄像装置数据的融合和快速交互，能够大幅度提升系统处理数据的水平（图3），主要体现在以下几方面。

图3 实际运行效果

（1）由于设备故障以外的原因导致的停风，在确认周边环境正常的情况下，可以远程控制通风装置工作。

（2）可在地面主台进行风机切换试验、短路测试、漏电测试、远距离故障重置等功能。

（3）对掘进工作面通风机的运行电流、电压、风机与地面的绝缘电阻进行了实时监测。同时可以根据检测参数进行系统工作状态和故障状态的判断，并可以远程进行参数的设定。

（4）实现某一地区瓦斯气体浓度、CO含量、温度的实时监控。可对空气流量等进行即时监测，并与监测设备联防联控，及时发现不正常的状况[8]。

（5）通过对危险气体的曲线和报表的分析，可以使技术人员通过风量、风速、风压等方式，准确地判断工作面的设备状况；通过分析危险气体（瓦斯、甲烷、一氧化碳、二氧化硫）的浓度变化，提前预测危险状况，并进行事故预测。

（6）地面主站内的局域式通风监测系统，可为用户查询、浏览、打印数据等服务。

（7）装备有煤矿用本安高清视频摄像头，可以通过视频对变电站的布线进行远程监测，对现场进行实时的动态监测，并可在突发事件中与监测设备进行联防和控制。

（8）利用OPC或网络公布的方式，与整个煤矿的自动控制系统连接，将信息上传至有关的主管部门。

（9）可以通过手机APP 实现监控系统的远程管理和监控，同时可以进行系统的远程维护。

（10）系统设计首先需要确保技术的先进性，需要实现完成的功能，能够在复杂的环境下保持稳定的工作状态，节约经济成本，同时需要能够实现升级改造[9]。

4 结语

通过工程的实施，在地面调度中心完成了矿井内的部分风机电气设备、矿用本安摄影仪、瓦斯传感器的安装远距离监测和控制温度、风速、一氧化碳、振动等。实现了通风系统安全可靠运行，提高效率，节约人力成本；同时具有使用方便、节约经济成本等优势。本工程是一项与我国目前的工业信息化战略相适应的工程，对确保矿井的通风口和矿井的通风设备的安全使用有着十分显著的意义，对矿井的安全生产和矿井的安全管理将发挥着积极的促进作用。