煤矿通风系统现状及智能通风系统设计.pdf

第 4 l卷 第 l 1 期 2 0 1 5年 1 1 月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i n e Aut o ma t i on V0 L 41 NO ． 1 1 NO V ． 2 O 1 5 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 1 1 0 0 7 4 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 1 1 ． 0 1 8 杨杰 ， 赵连刚， 全芳． 煤矿通风系统现状及智能通风系统设计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 1 1 7 4 7 7 ． 煤矿通风系统现状及智能通风系统设计 杨 杰 ， 赵连 刚 ， 全芳 中 国地 质大学 机 械与 电子信 息 学 院 ， 湖 北 武汉4 3 0 0 7 4 摘 要 分析 了现有矿 井通 风 系统 的应 用现 状 ， 指 出了当前 通风 系统 的不 足 ， 依 据 工业 4 ． 0理 念 给 出 了智 能通风 系统 的研 究方 法 ； 根据 该研 究方 法 ， 提 出了一种基 于现 场 总线技 术 的智 能通风 系统设 计 方案 。该 系统 采 用模 块化 的设 计方 法 ， 将数 据 采集 、 分析 处理 、 决 策执 行 等子 系统设 计成 若 干个独 立 的模 块 ， 并利 用 以太 网 技 术传输数 据 ， 采 用现场 C AN 总线 网络 实现功 能控 制 ， 可 以实现按 需供 风 、 超 前调 风量 等功 能 。 关键 词 煤 矿通 风 ；智 能通风 系统 ；工 业 4 ． 0 ；物联 网技 术 中图分 类号 T D7 2 4 文献 标志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 5 1 1 0 2 1 4 5 8 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 1 1 0 2 ． 1 4 5 8 ． 0 1 8 ． h t ml Cu r r e n t s i t u a t i o n o f c o a l mi n e v e n t i l a t i o n s y s t e m a n d de s i g n o f i nt e l l i ge n t v e n t i l a t i o n s y s t e m YANG J i e ． Z HAO L i a n g a n g． QUAN Fa n g S c h o o l o f M e c h a n i c a l a n d El e c t r o n i c I n f o r ma t i o n ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Ge o s c i e n c e s W u h a n 4 3 0 0 7 4 ，C h i n a Ab s t r a c t The p a pe r a na l y z e d c ur r e nt s i t ua t i o n o f a p pl i c a t i on of e xi s t i n g mi ne v e n t i l a t i on s y s t e m ， po i nt e d ou t t he s h or t a ge s o f t he c u r r e nt v e n t i l a t i o n s y s t e m ． I t g a v e r e s e a r c h me t ho d o f i nt e l l i ge n t ve n t i l a t i o n s y s t e m on t h e ba s i s o f i nd us t r i a l 4． 0 c on c e pt ，a nd pr o p os e d d e s i g n s c he m e o f a n i nt e l l i ge n t v e n t i l a t i o n s y s t e m ba s e d on f i e l d bu s t e c hno l o gy a c c o r d i n g t o t he r e s e a r c h me t h od． The s ys t e m a d o pt s mo du l a r d e s i gn me t ho d t o d e s i gn s e v e r a l i nd e p e nd e nt mo du l e s， s uc h a s da t a c o l l e c t i on， a na l ys i s a nd p r oc e s s i ng，de c i s i o n m a ki n g e x e c ut i on s u bs ys t e m ，us e s Et he r ne t t e c hno l o gy t o t r a n s mi t d a t a，a n d us e s t he CAN bu s ne t wo r k t o r e a l i z e c on t r o l f u nc t i o n， wh i c h c a n r e a l i z e a i r s up pl y a c c or d i ng t o d e ma n d a nd a d j u s t a b l e a i r v o l u me i n a d v a n c e ． Ke y wo r ds m i ne v e nt i l a t i o n； i nt e l l i ge n t v e n t i l a t i on s ys t e m ； i n dus t r i a l 4． 0； I n t e r ne t o f Thi ng s t e c hn o l o g y 0 引 言 矿 井通 风 系统是 矿 井 “ 六 大 系 统 ” 之 首 ， 煤 矿 要 求 “ 以风定 产” ， 足见煤 炭 开采 中通风 系统 的重要 性 。 通 风 系统 除 为 矿 井 提 供 新 鲜 空 气 外 ， 还 可 以解 决 一 些矿井安全问题 ， 如瓦斯积聚、 粉尘积聚、 高温等。 所 以 ， 矿井 通风 系 统 准确 、 平 稳 、 安 全 运 行 是 煤 矿 的 关 键 之 处 。 目前 ， 我 国 大 部分 煤 炭 企 业 矿 井 通 风 系 统 的管 理技 术较 为落后 ， 工人 的劳动量 大 ， 通风 变化 数 据不 能实 时监 控 ， 严 重 影 响着 我 国矿 山工 业 的 发 展 ] 。本 文 通过分 析 现有 矿 井 通 风 系 统 的 应 用 现 状 ， 指 出 当前 通 风系统 的不 足 ， 并 提 出智 能通 风系 统 的研 究方法 与设 计 方 案 ， 旨在研 究 出一 种 合 理 高 效 的煤矿智能通风系统 ， 促进煤矿通风系统的智能化 发 展 。 收稿 日期 2 0 1 5 0 7 一 i 0 ； 修 回日期 2 0 1 5 0 8 3 1 ； 责任编辑 张强 。 作者简介 杨 杰 1 9 6 8 一 ， 男 ， 湖北武汉人 ， 教授 ， 博士 ， 主要从 事机 电装备设计与诊断分析方面的研究l丁作 ， E ma i l c u g z l g l 9 9 2 1 6 3 ， c o m 2 0 1 5年 第 1 1 期 杨 杰 等 煤 矿通 风 系统现 状及 智 能通风 系统 设计 7 5 1 通风 系统应 用现 状 1 ． 1矿井 通风 系统 现状 分析 我 国矿 井通 风 的主要 方 式见 表 1 。从 表 1可 看 出 ， 我 国煤 矿通风 系 统 的主 要 通 风方 式 是 中央 并 列 式 ， 矿井 通 风系统 监 控 基 站 的 密集 区 主要 在 井 底 车 场附近 ， 这里信号众 多且传输距离较短。我 国煤矿 通 风 系统 的工 作 面 通 风 方 式 主 要 是 “ U” 型 通 风 方 式 ， 这样 的通风方 式 ， 必定 会导 致上 隅 角瓦斯 积 聚和 采 空 区漏风 的增 加 ， 因此 ， 要 求 通风 系统 能够 检测 通 风 量 ， 并 根据 上 隅角 的瓦 斯 、 一 氧 化 碳 浓 度不 同 ， 合 理 调节 工作 面 的通 风量 。 表 1 矿井通风方式 通风 具体 比例／ 通 风 具体 比例／ 方式 方式 方 式 方式 两翼对角式 1 8 ． 6 5 U 型通风 8 l _ 6 2 矿井 中央并列式4 2 ． 3 7 工作 面 Y型通风 1 2 - 2 8 通风 分区式8 ． 4 4 通 风 W 型通风 1 ． 4 7 方式 混合式 3 0 ．5 4 方 式H 型通风 1 ．6 5 其他 o ． 0 0 其他 2 ． 9 8 1 ． 2矿 井通风 系统 中通 风构 筑物 、 通 风设施 的 智 能 化分 析 矿 井 通 风 系统 中通 风构 筑 物 、 通 风设 施 的智 能 化 程度 见 表 2 。从 表 2可 看 出 ， 矿井 通 风 构 筑 物 自 动化程度很低 ， 具备 自动化通风构筑物 的矿井总数 不到 5 0 ； 同时通风风窗和风门没有 自身监控系统 ， 只是 采用机械方 式驱动 ， 还需技 术人员 手动调试 。 表 2 矿 井通 风系统 中通风构筑物 、 通 风设 施的智能化程度 智 能通 风构 筑 物 的 驱 动力 大 部 分 来 自风 压 ， 这 样可以有效降低设备的煤安认证时间 ， 同时煤矿井 下 设有 压 风管路 ， 动 力来 源方 便 ， 安 装调 试简 单 。但 是 ， 目前 煤 矿智 能通 风 构 筑 物 的 研究 主要 集 中在监 视 上 ， 对 控 制功 能 的研 究较 少 ， 距离 真正 的智 能化还 有 不小 的差 距 。 在 我 国煤 矿企 业 中 ， 大 型矿 井 基 本 实现 了主要 通 风机 的 自主控 制 和 远 程监 控 ， 但 实现 局 部 通 风 机 智 能控 制 的矿井 总数 不 到 5 0 ， 同时 局部 通 风 机不 能与全 矿井 通风 系 统 有效 结 合 使 用 ， 没 有 实 现 真正 的智能 化控 制 。 1 ． 3 煤矿 对矿 井 智能通 风 系统 的功 能需 求分析 煤 矿 对 矿 井 智 能 通 风 系 统 的功 能 需 求 分 析见 表 3 。 从表 3可 以看 出， 对矿井侧 风站进行合理有 效 的监 测 与管理 是煤 矿最需 要 的功 能之 一 ， 但 是 ， 目 前 侧风 站 的监测 参数 主要 是通 过机 械风 表和秒 表 由 人 工采 集 ， 技术人 员 将 测 量 的 数 据 带 到井 上 汇 总 分 析 ， 并绘 制 矿井 的 通 风 系统 图 。这种 方 法 存 在 测试 数据和实际数据不符 、 分析数据与实际数据有差距 、 分析结果滞后等问题 。矿井通风系统的 自动分风和 配风也 是 煤矿迫 切 需 要 的 功 能 ， 智 能通 风 系 统 可 以 有 效地 降低 通风 技 术 人 员 的 劳动 量 ， 并 可 保 证 通 风 系统 的实 时监控 和测 量 的准确 性 。 表 3 煤矿对矿井智能通风 系统 的需求分析 主要需求 比例／ 主要需求 比例／ ％ 监测侧风站 8 7 ． 5 5 绘制通风图纸 4 8 ． 6 7 分风与配风 7 8 ． 7 O 监控通风状态 6 8 ． 5 7 调节通风设施 6 6 ． 4 6 矿井灾害时控制通风 系统 6 0 ． 8 5 通风 网络解算 6 4 ． 2 6 通风系统反馈 5 2 ． 3 9 生成优化方案 7 7 ． 9 8 矿井灾害关联 4 9 ． 2 5 2矿 井智 能通风 系统研 究方 法 矿 井 智能通 风 系统 的研 发需要 综合 考虑 理论 研 究 和煤 矿 现场条 件 。 以物 联 网技术 为基 础 的第 4次 工 业革 命 即将 到 来 ， 以德 国为 核 心 提 出 的工 业 4 ． 0 概 念正 在 对我 国工业 领域 产 生 巨大 的影 响 。以全 球 网络的建立为前提 ， 机器 、 存储系统和生产设施可以 融 合在 一 起 ， 形 成 一 套 虚 拟 网 络 一实 体 物 理 系 统 C y b e r P h y s i c s S y s t e m， C P S 。在 C P S系统 中， 生 产系统的各部分可以独立运行并 自动交换信 息， 保 证生产计划 的正确高效实施_ 5 ] 。煤矿通风系统需要 综合考虑井下各个工作点的情况 ， 同时通风设施遍 布井下主要工作地点 ， 并且伴随着人员的实时流动 ， 7 6 工矿 自动化 2 O 1 5年 第 4 1卷 以往 的通 风手 段难 以兼顾 信息 统计 分析 和设备 运行 调控 的合 理关 系 ， 更 不能 实现 井下按 需供 风 ， 但 工业 4 ． 0概 念 和 手段 的提 出可 以很 好 地 解 决 这些 问题 ， 具 体 的研 究路 线如 图 1 所 示 。 反 馈 I 实 验 室 调 试l 藐 后 l 馈 蒌固 I 井下通 风网络和数据需求分析 J 』 1 分 布 式 井 下 数 据 传 感 器 l 工 作 点 智 能 通风 设 备 幸 中 中 中 中 { 物 国 圄 国 ． 其 联 他 设 网 施 数据集成分析 独立智能控制系统 J _ 7 l ＼ C P S中央处理单元 图 i 基 于 工 业 4 ． 0概 念 的 矿 井 智 能 通 风 系 统 研 究 路 线 矿井智能通风系统 的研究大致分为 7步， 包括 理论认证 、 系统设计 、 实验室调试 、 研发完善 、 专家认 证 、 现场 认证 和 投放 市 场 。设 计 过 程 中需 要 确 保 硬 件 和 软件 的合理 匹 配 ， 保 证矿 井 通 风 智 能 系统 的平 稳 性 、 安 全性 、 准确 性 、 实 时性 、 经济 性 ； 同时在 设 计 过程 中必需 解决 系 统 中 可能 存 在 的 问题 ， 并通 过 认 证 分 析给 出矿 井通 风 系 统 的优 化 方 案 和 整改 建 议 。 以此 为原 则 ， 结 合工业 4 ． 0的先 进设 计方 法 ， 分 析确 定煤 矿 的控制 需求 ， 在 全 矿 井 布 置传 感 器 并 通 过 物 联 网连接 ， 经 C P S中 央处理 单元 分析 后 向执 行 单元 发送命令 ， 保证全矿井协调、 有序通风。 3智能 通风 系统 的分 析与设 计 首先分析 当前矿井通风系统 的工作原理 ， 指出 其缺 点 和不 足 ； 之 后 提 出 一种 智 能 通 风 系统 的设 计 方 案 ， 对 其工 作原 理进 行分 析说 明 。 3 ． 1 现有 矿 井通风 系统 分析 当前煤 矿普 遍采 用 P L C实 现通 风 系统 的控 制 ， 其总体方案如图 2所示。 该 类通 风 系统 主要 包 括数 据 采 集／ AD 转换 、 数 据分 析与处 理 、 调 控 执行 3个 模 块 。主控 核 心 一般 为S 7 3 0 0系列 P L C。 数据 采集 ／ AD 转 换 模 块 的 主 要 功 能 是 采 集 各 井巷 中的风压 、 风 速和 瓦斯含 量等 信息 ， 采用 甲烷 传 感器 采集 各采 空 区 的 瓦斯 含 量 ， 采 用 风 量 、 风 压 、 温 度传 感器 采集 井巷 中的环 境信 息 ， 信 息通 过 E M2 3 5 模块进行 A D转换后传送至 P L C， 再经 P L C传送到 上 位机 进行 分析 处理 。 采集的数据在上位机组态软件 中进行处理和分 网 网 网 i 数据采集／ A D转换模块 ⋯⋯⋯．．[ 数 I S 7 3 0 0 P L C 据 l下位机控制系统 分 7 一 析 R S 4 8 5 l l 通 信 接口 与 处 l F a m e V i e w组态软件 理I上位机控制系统 变频器 主要l l局部l l通风 通风机 l l 通风机 l l 构筑物 调 控 执 行 图 2基 于 P LC的 通 风 系 统 设 计 方 案 析 ， 编 写设 计 好 F a me Vi e w 上 位 机 分 析 软 件 ， 通 过 R S 4 8 5 接 口接 收来 自 P L C的数据信 息 ， 经分 析 后 向 下位 机 发 送 操 作 命 令 。在 控 制 算 法 上 ， 一 般 采 用 P I D和模 糊控 制算 法设 计 程 序 ， 通 过 程 序 对 井 巷 瓦 斯含 量进 行动 态 响应 ， 保 证井 巷 中充足 的空气 供 给 ， 确保 瓦斯 含量 在允 许 的范 围内 。 调控 执行 模 块 通 过 P L C发 出指 令 ， 经 E M2 3 2 模 块控 制变 频器 ， 对 煤 矿主要 通风 机 、 局部通 风机 和 电动通 风构 筑物进 行转 速调 节 ， 保 证井 巷空 气供 给 。 基 于 P L C的通 风 系 统 结构 简 单 、 控 制 方 便 ， 适 用 于 中小型 矿井 ， 但其 缺点 也非 常 明显 一 是数 据采 集 量 小 ， 不 能采集 充 足 的通 风数 据 ， 其 分 析结果 也就 可能 不准确 ； 二 是系 统响应 慢 ， 从传感 器 采集危 险信 息 到通风机 运转 以减 少有 害气 体含 量需 要较 长 的时 间 ； 三是不 能保 证合 理供 风 ， 会 出现 供风 不足 或供 风 过量 的情况， 难 以做到按需供风。因此 ， 需要一套可 以实现按 需供 风 、 超 前调 节 的智能 通风 系统 。 3 ． 2 基 于现 场 总线技 术 的智能 通风 系统设 计 针 对井 下 供 风 的复 杂 性需 求 ， 提 出一 种 基 于现 场 总线 技术 的智 能通 风 系统 设计 方 案 ， 该 系统 采 用 模 块化 的设 计方 法 ， 将 数 据 采集 、 分 析处 理 、 决策 执 行等子系统分成若干个独立 的模块来设计 ， 并采用 以太 网技术 进 行 数 据 通 信 ， 采 用 现 场 C AN 总线 网 络完 成 功 能 控 制 ， 实 现 系 统 的集 成 管 理 和 远 程 控 制 。 ] 。系统 分为 数据 采 集 、 操 作 执 行 、 险 情 报 警 和 冗余 设计 4个 主要模 块 ， 如 图 3所 示 。 系统 采用 嵌入 式模 块化设 计 的优 点是设 计周 期 短 ， 系统搭 建 快 捷 方 便 ， 节 省 了 大 量 的 系 统 开 发 时 间 。模块 化设 计 以后 ， 系统 各功 能模块 独 立运行 ， 互 不 干扰 ， 当系统 中某 一 环 节 出现 问题 后 不 影 响其 他 模 块 的 运 行 ， 系 统 可 靠 性 高 。 系 统 采 用 以 太 网 和 C AN总线相结合的 2层控制网络 ， 以太 网实现数据 远程 传输 ， C AN 总线 网络 实 现 现 场控 制 功 能 ， 上 位 机 将 处 理指 令 通过 以太 网发 送 到现 场 主控 制 器 ， 主 2 0 1 5年 第 1 1期 杨 杰等 煤矿通 风 系统现 状及 智 能通 风 系统设 计 7 7 以太 网数据传输 瓦 斯 传 感 器 数据采集 湿 度 传 感 器 丽 雨 现 场 CAN总线网络 图 3 基 于现场总线技术 的智能通风 系统模块 构成 控 制 器通 过 C AN 总 线 控 制 具 体 的 执 行 机 构 运 转 ， 以保证系统的整体反应速度 。 基于现场总线技术的智能通风系统整体设计方 案 如 图 4所 示 。 图 4基 于 现 场 总线 技 术 的 智 能 通 风 系 统 设 计 方 案 各井下设备检测传感器将井下 的环境信息 、 设 备运 行 信息 等通 过数 据采 集 卡传送 到 现场监 控 计算 机 ， 现场监控计算机将数据通过以太网发送 到远程 监控 计 算机 ； 现 场监 控计 算机 通过 数据 处理 ， 智 能判 断 井 下 的 工 作 状 况 ， 然 后 通 过 本 地 网 络 或 者 I n t e r n e t 将 远 程 控 制 命 令 数 据 发 送 给 现 场 主 控 制 器 ； 现场主控制器通过协议解析， 将命令数据发送给 各 C AN 节点 ， 从而 控制设备 运行 ， 并 接收 和处理 C AN节点传来 的各项监测 数据和设 备运行 状态 ； C AN 节点 接收 并执 行现 场 主控制 器 的命 令 ， 以及 向 现场主控制器传送监测数据 和运行状 态等实时信 息 ， 并由现场主控制器将信息 回传给用户。现场主 控 制 器和 C AN 节 点 处 理 检 测 数 据 后 ， 做 出合 适 的 决策 ， 保证系统的可靠性 、 安全性和智能化。 远程监控计算机采用智能分析软件和模糊控制 算法对井下系统建模并根据现有数据对整个运行系 统进 行预 测分 析 ， 当井 下 出现 安 全 隐患 并 且 现 有通 风系 统难 以处 理 时 ， 远 程 监 控 计 算机 会 及 时 向现场 主控制器发送命令 ， 井下报警系统开始运行 ， 及时提 醒井下工作人员撤离 ； 冗余 系统是为了保证矿井的 正 常工作 而建 立 的 ， 在 主要通 风机 出现 突发 事故 时 ， 备用 设备 可 以及 时运行 以保证 矿 井安全 。 该 系统 的优 点是 大 量采 集 井 下 环境 数 据 ， 对 大 数据 进行 分 析 ， 找 出 最 优 的处 理 方 案 ， 做 到按 需 供 风 ； 同 时现场 主控 制器 在学 习 的基 础上 ， 分 析各节 点 的数 据趋 势 ， 可 以做到超 前调 节风 量 ， 保 证井 下各 点 的合 理供 风 。 4 结 语 在 实 地调 研 的基 础上 ， 分 析 了当前 煤 矿通 风 系 统 的应 用现状 ， 探 讨 了煤矿 通 风 系 统 的 智 能化 程 度 和需求 ， 指 出 了现有通 风 系统 的缺点 和不足 ； 并结 合 工业 4 ． 0理论提 出智 能通风系统的研究方法 ， 结合 当前最 新研 究进 程 ， 提 出了智 能 通 风 系 统 的设 计 方 案 。智能通风系统的实施为煤矿通风系统的安全生 产 、 可靠执行 、 快速响应提供 了理论参考。 智 能 通 风 系统 是 未来 煤 矿 通风 的必 然趋 势 ， 实 现 以风 定产 、 按 需供 风 ， 实 现 井 下 通 风 的定 点 、 定 量 供给是 当前煤矿迫切需要解决 的难题， 逐步淘汰落 后 的通 风 系统 ， 减少 井下 人员 的工作 量 ， 实 现井 下风 量 的智 能监 管 和调控 是煤 矿发展 的必然选 择 。 参考文献 [ 1 ] 邹孝付 ， 马小平 ， 焦晓宇 ， 等 ．煤 矿通 风 系统 的优化 实 现 [ 阳． 工矿 自动化 ， 2 0 1 2 ， 3 8 3 6 1 6 2 ． [ 2 ] 蔡治邦．矿 井 安 全 生 产 虚 拟 现 实 系 统 的 研 究 [ D] ． 焦作 河南理工大学 ， 2 0 1 0 1 - 5 ． [ 3 ] 程健维 ．矿井通风系统安全可靠性与预警机 制及其 动 力 学研究 [ D ] ． 徐州 中国矿业大学 ， 2 0 1 2 2 - 5 ． [ 4 ] 刘光智 ．浅谈煤矿通风系统 的安全性及优化 设计 [ J ] ． 工 程 技 术 ， 2 O 1 3 1 1 9 O 一 1 9 1 ． [ 5 ] 陈智 呈 ， 郑 松．工业 4 ． 0与智 能联 动战 略[ J ] ． 信息 技 术 与信息化 ， 2 0 1 4 6 7 6 7 9 ． [ 6 ] 鲍 庆 国 ， 毛 允 德．智 能 矿井 通 风仿 真系 统设 计 研 究 [ J ] ． 中国煤 炭 ， 2 0 1 4 ， 4 0 6 1 2 4 1 2 6 ． [ 7 ] 范传柱 ， 李振璧．采用模 糊 R B F网络控 制的煤矿 瓦斯 抽排系统[ J ] ． 矿山机械， 2 0 0 9 ， 3 9 1 8 - 1 1 ．