煤矿主通风机自动监控系统研究.pdf

2 0 2 0年第0 2期 煤矿主通风机自动监控系统研究 于晓荣 阳泉煤业 集团 有限公司煤矿五人小组管理部, 山西 阳泉 0 4 5 0 0 0 摘 要 为解决现有煤矿主通风监控系统存在的控制功能较弱、 协同能力较差以及风机使用效率不高的问题, 提出 基于两级网络分布式控制的自动监控系统, 实现主通风机集中管理、 分散控制的目的。从系统的总体设 计、 硬件设计以及软件设计三方面展开论述, 并将所设计的监控系统实际应用于某矿的主通风机系统。使 用结果表明, 所设计的方案能够实现对风机的启停控制以及运行参数的监测, 将风机数据上传至地面实现 数据共享, 实现工作风机与备用风机的轮换工作模式。 关键词 自动监控系统; 主通风机;MP I;P R O F I B U S;P L C控制器 中图分类号 T D 4 4 1 D O I 1 0. 1 9 7 6 9/j . z d h y . 2 0 2 0. 0 2. 0 3 1 0 引言 为保证煤矿井下风流质量符合国家安全卫生标准, 为井下人员创造较好的工作环境, 防止井下有毒有害气 体以及粉尘爆炸引发的安全事故, 煤矿通风设备的作用 和地位是极为关键的。煤矿通风设备需要72 4小时连 续、 安全、 稳定运转, 因故障停机会给整个煤矿的生产安 全带来巨大威胁[ 1]。因此, 对煤矿通风设备运行状态的 实时监测显得尤为重要。国内外科研机构针对煤矿主通 风机自动监测系统展开一系列研究, 如国外基于P L C控 制器大功率变频器控制通风机运行, 利用上位机软件 获取P L C控制数据, 实现对现场通风设备的实时监测; 如将集散控制系统D C S 与C AN/C a n o p e n/R S 4 8 5总线 技术融合, 由P L C控制器实现统一控制和监测。国内对 通风机自动监测系统的研究水平与国外存在一定差距, 主要表现①主通风机监测是一个独立系统, 监测数据无 法与其他系统共享并协同动作;②可靠性不高, 生成的历 史数据周期较长, 效率较低;③停留在监测水平, 对煤矿 通风机的控制性能较弱[ 2 - 5]。针对现有煤矿主通风机自 动监测系统存在的问题, 提出解决方案, 采用两级网络分 布式控制, 实现集中管理、 分散控制, 并实现与地面管理 系统的协同工作。 1 总体设计 煤矿主通风机自动监控系统的总体设计如图1所 示, 其由计算机监控单元、 励磁单元以及高压开关柜单元 三部分组成。计算机监控单元包括视频监测系统以及工 业计算机操作台, 其中, 视频监测系统由3个摄像云台组 成, 1个负责监控主通风机电动机的运行状态,2个用于 监控风门的开合状态, 实现在自动化管理中心实时监控 主通风机设备的工作状态。工业计算机操作台负责显示 主通风机设备运行参数以及高压开关柜、 励磁系统的运 行状态, 同时还具备故障报警、 数据存储、 运行曲线查询、 生成报表等功能。高压开关柜用于实现对两台主通风电 动机的启停、 接触器的吸合等操作, 同时对电动机电压、 电流、 功率以及过流、 过压、 欠压等故障进行实时监测。 励磁系统用于实现两台主通风电动机的手动启停、 接收 T C P/I P信号以及传输励磁状态等参数。主控制柜内为 P L C控制器、U P S电源以及传感器电源等器件。通过1 /2风机电动机就地控制柜的磁力启动器可实现对风 门的启停控制。 图1 监控系统布置框图 2 硬件设计 煤矿主通风机自动监控系统的硬件设计如图2所 示, 其采用集中管理、 分散控制的结构, 硬件布置分为就 地控制、 核心管理以及远程监控三层结构[ 6]。就地控制 层由S 7 - 3 0 0 P L C控制器、 传感器、 一体化云台以及检测仪 表、 执行机构组成, 可实现高压开关柜、 励磁柜以及风机 电动机参数、 数据的测量; 可接收核心管理层的控制指 令, 实现风机的启停以及运行参数 如风量、 风压、 温度、 开关状态 的采集, 并上传至核心管理层。核心管理层由 视频 系 统、 监 控 软 件 等 组 成, 以MP I、R S 4 8 5、M o d b u s R TU以及T C P/I P等多种通信模式与就地控制层进行 数据交互。远程监控层为自动化管理中心, 以T C P/I P 通信模式接收煤矿井下主通风自动监控系统数据, 实现 集中监控管理。 67 自动化应用 工矿自动化 收稿日期 2 0 2 0 - 0 1 - 0 4 作者简介 于晓荣 1 9 7 4 , 男, 山西省昔阳县人, 毕业于山西煤炭职工联合大学, 机电助理工程师, 主要从事煤矿安全监察工 作。 2 0 2 0年第0 2期 图2 系统硬件布置框图 3 软件设计 3. 1 P L C通信设计 煤矿主通风机自动监控系统中P L C控制间通信设 计如图3所示, 主控制柜以MP I通信模式将风门控制命 令如1风门开/关、1风门照明灯开/关等指令发送给 就地控制柜。就地控制柜执行指令后, 将风门的状态如1 风门开到位、1风门开运行等信息发送给主控制柜。 图3 自动控制系统P L C间通信 主控制柜与就地控制柜之间传送的控制指令以及状 态信息通信协议格式定义如表1以及表2所示。 表1 风门状态 B i t12345678 物理意义 1风门 开到位 1风门 关到位 1风门 开运行 1风门 关运行 2风门 开到位 2风门 关到位 2风门 开运行 2风门 关运行 表2 风门控制命令 B i t12345678 物理意义1风 门开 1风 门关 1风门 开照明 1风门 关照明 2风 门开 2风 门关 2风门 开照明 2风门 关照明 主控制柜与励磁控制柜之间以P R O F I B U S通信模 式进行数据传送, 主控制柜将1 2个电机控制命令传送给 1/2励磁控制柜, 详见表3。 表3 电机控制命令 1电机正转启动1电机正转停止1电机反转启动1电机反转停止 2电机正转启动2电机正转停止2电机反转启动2电机反转停止 1励磁增加1励磁减少2励磁增加2励磁减少 3. 2 风机轮换机制 煤矿主通风控制系统必须连续、 稳定运行, 为此在设 计时为系统冗余的双机系统, 即一台风机工作, 一台风机 备用。为避免工作风机长时间运行、 备用风机利用率不 高的问题, 设计风机自动轮换方案, 交替使用, 互为备用, 达到风机均衡工作, 延长风机使用寿命的目的。风机自 动轮换控制流程如图4所示, 首先检测工作风机。以1 风机为工作机为例, 如果1风机运行正常, 则判断轮换 时间是否达到, 否则直接执行1停机流程。如果轮换时 间到, 则将1风机停止工作, 并设置2风机为工作机, 1风机为备用机; 如果轮换时间未到, 则继续检测1风 机运行是否正常。 图4 风机自动轮换控制流程 4 现场使用 设计并实现煤矿主通风机自动监控系统嵌入某矿的 主通风系统中, 进行工业试验。试验结果发现 通过主控 制柜, 可实现对两台主通风电动机的启停控制、 风门控 制、 正转/反转控制; 可将主通风机运行时的全部数据以 T C P/I P通信模式上传至地面自动化管理中心, 实现数据 共享; 同时可实现工作风机、 备用风机按照约定的轮换时 间轮流工作。 5 结语 煤矿主通风机自动监控系统的使用, 在保证煤矿井 下安全的同时, 为井下工人提供了良好的工作环境。在 下转第7 9页 77 工矿自动化 自动化应用 2 0 2 0年第0 2期 大, 作业环境就会持续恶化, 存在粉尘爆炸的风险, 严重 影响作业人员的职业健康安全。到夏季时, 煤仓内的温 度高达5 0 ℃, 作业人员很容易中暑或引发其他疾病。复 采区布局优化通风系统后, 优化后的通风模式随着掘进 工作面 推 进, 尤 其 在 大 型 矿 山, 其 中 通 风 的 长 度 达 到 5 0 0 0 m以上就应该采用风幕式通风系统, 具有上、 中、 下 及两端四重通风体系。其中, 煤仓顶部采用通风天窗, 能 够将煤仓内的有毒、 有害气体及时排出; 煤仓中部采用防 雨风幕式通风带, 能够阻断粉尘外溢, 防止煤仓内的粉尘 云形成, 从而彻底消除粉尘爆炸风险; 煤仓下部采用纵向 阶段式机械送风, 定时换气、 排烟, 可以确保作业人员的 职业健康安全; 煤仓的端部采用智能风幕通风带, 可以根 据风速、 风向自动调节煤仓内的进风量, 彻底改变传统全 封闭煤仓通风条件差的状况。除了合理地设计煤仓的通 风系统外, 企业还应该在仓内设置喷淋或喷雾设备。这 种设备利用自动控制系统, 射程覆盖堆煤和作业范围, 以 少量多次的喷淋或喷雾方式来降低仓内的粉尘浓度, 在 减少安全隐患的同时也能节约用水。此外, 喷淋或喷雾 设备还应该与仓内的防爆自燃预警系统相结合, 一旦粉 尘、 有毒有害气体的浓度超出预警值就会自动报警, 同时 启动喷淋或喷雾设备, 以此保证煤仓及作业人员的安全。 4 煤矿通风技术的应用 随着煤炭技术的发展, 煤矿通风技术与瓦斯采集技 术共生产理念的提出和不断优化, 有效地提高了煤矿安 全水平。封闭掩体自然通风是利用上升的热空气的原 理, 常规的设计方法是在下部布置自然通风进气口, 并在 顶部设置空气出口, 由于热的存在以及内部和外部之间 的压力和温度差, 当重冷空气从空气入口进入所述隔室 中, 受影响热空气上升, 从空气出口排放到外部。该方法 对于采空区通风技术来说具有安全性高、 成本低的特点, 是当前通风技术的主流。全封闭煤仓大都采用下部百叶 窗顶部通风天窗的自然通风方式, 这种方案虽然对仓内 通风起到一定的作用, 但不能很好地解决全封闭煤场通风 不畅的问题。正确的做法应该是在煤仓上、 中、 下及两端 头均应设置通风装置, 有效阻止室内粉尘云的形成, 降低 粉尘浓度, 改善室内作业环境, 降低粉尘爆炸的风险。同 时, 还有利于室内气流形成循环、 有毒有害气体和烟气的 排出, 满足消防验收要求。目前国内有专门设计全封闭煤 仓通风的软件, 可以系统解决全封闭煤仓通风问题。很多 企业都按照环保要求针对露天煤场建设了全封闭煤仓, 但 在设计时有的时候将煤仓构建成了一个全密闭的空间, 导 致运行后的煤仓内部通风不畅, 煤炭溢出的有毒有害气体 不能及时排出, 在作业的巷道内聚集, 当浓度达一定程度 时便容易导致危险发生。并且作业时巷道内产生的粉尘 浓度很大, 作业环境持续恶化, 存在粉尘爆炸的风险, 也会 严重影响作业人员的职业健康安全。到夏季时, 煤仓内的 温度高达5 0 ℃, 作业人员很容易中暑或引发其他疾病。 针对以上这些情况, 企业可以利用全封闭煤仓通风设计评 估软件来对煤仓进行整体评估, 软件能够根据煤仓的具体 工况给出全面的改善方案。同时, 企业通过构建上中下及 两端风幕式通风系统, 能够从根本上解决煤仓通风差的问 题, 将粉尘爆炸、 职业健康安全风险降低8 0 。 5 结语 总之, 在煤炭复采区的安全管理上, 要保证复采煤矿 和残采煤矿的安全, 既需要保证有一套健全的管理规章 制度, 也需要所有人员严格执行, 按照制度规章进行作 业。这就要求所有工作人员不断提高技术水平和执行能 力, 提升总体管理素质。同时, 不同的矿井煤层地质赋予 每个煤矿现场工作面不同的特点, 要根据作业面的不同 特点、 不同布局, 依循以前的作业经验, 保证科学合理地 使用通风安全技术, 并配套其他安全生产措施, 从而保证 生产安全进行。最近几十年来, 煤矿通风不断出现新技 术、 新工艺, 安全技术不断地优化更新。其中最大的变化 就是煤与瓦斯共采理念的提出和转化, 辅以科学合理的 通风技术, 既能有效提高煤矿安全水平, 又能保证煤炭开 采率的提高, 为提升我国的煤炭产能效率作出了贡献。 参考文献 [ 1] 张运增, 王飞.新民二矿通风阻力测定及分析[J].煤炭技 术, 2 0 1 1,3 09 1 1 4 - 1 1 5. [ 2] 陈建.煤矿矿井通风系统稳定性的相关因素分析[J].中 小企业管理与科技 下旬刊 , 2 0 1 14 2 3 4. [ 3] 狐为民.薛村煤矿通风系统的阻力测定与分析[J].华北 科技学院学报, 2 0 1 1,82 1 9 - 2 2. [ 4] 孙森, 夏仕柏, 韩波, 等.高瓦斯煤巷掘进全负压通风技术 探讨[ J].中国煤炭,2 0 0 11 1 3 2 - 3 5. 上接第7 7页 后续的研究中, 为进一步提高主通风系统的稳定性, 可适 量增加冗余功能。利用神经网络、 机器学习等智能控制 技术, 可对主通风机数据进行挖掘分析, 为煤矿安全生产 提供数据理论依据。 参考文献 [ 1] 王晓东, 瞿志红.矿井主通风机节能研究的现状与展望 [ J].煤矿安全,2 0 0 28 3 1 - 3 3. [ 2] 吴燕翔, 李权任, 成萍, 等.基于P L C的矿井通风机变频控 制系 统 的 设 计 [J].科 学 技 术 与 工 程,2 0 0 9 1 6 4 7 7 1 - 4 7 7 5. [ 3] 闵磊, 陈燎原, 王磊, 等. P L C控制与组态技术在矿用通风 机监 控 系 统 中 的 应 用 [J].煤 矿 机 械,2 0 1 2,3 3 2 1 9 9 - 2 0 0. [ 4] 张 俊.基 于P L C的 井 下 矿 用 风 门 自 动 控 制 系 统 设 计 [ J].煤矿机械,2 0 1 2,3 34 1 6 1 - 1 6 3. [ 5] 荣向东, 徐金陵, 刘德成.陈四楼煤矿通风及监测系统仿 真研究[ J].煤炭科学技术,2 0 1 0,3 81 0 5 5 - 5 8. [ 6] 李解, 魏晓譞.基于S 7 - 3 0 0 P L C矿用主通风机的控制系 统设计[ J].工业控制计算机,2 0 1 1,2 44 4 3 - 4 4. 97 工矿自动化 自动化应用