浅析自动化技术在煤矿通风中的应用

孔令军

【摘 要】众所周知，煤矿开采的安全性与高效性直接关乎到我国国民经济的发展，同时也关乎到我国人民群众的生活质量及生命财产安全。然而，煤矿通风系统作为保障煤矿安全且高效开采的重要屏障，却多采用人工方式进行维护。可见，煤矿通风系统的维护方式亟待改善。为此，本文就煤矿通风领域自动化技术的应用进行研究，以增强我国煤矿通风系统的安全性能及降低此系统的维护成本。

【关键词】煤矿通风；通风自动化；变频自动化；DCS技术

1 煤矿通风系统的重要作用

随着我国工业化经济的高速发展，矿产资源的供求矛盾便日渐凸显出来。尽管我国煤矿储藏量相当丰富，但因煤矿消耗量异常大，因此煤矿资源的供求矛盾尤其突出。与此同时，据调查结果显示，我国时常发生煤矿瓦斯爆炸事故，如此致使煤矿企业面临严重的生存危机，且也给人民群众的生命财产安全造成严重影响。由此可见，确保煤矿生产的安全性非常必要。另据调查结果表明，煤矿通风系统的运行效果与煤矿瓦斯爆炸事故的发生间存在着直接性的关系。煤矿通风系统作为保障煤矿安全生产的重要屏障，是指借助通风系统来排出生产空间内高浓度的有毒气体，同时为生产工人注入外部新鲜的空气，以达到稀释有害气体及使生产空间的气体浓度达到安全值的目的。除此以外，煤矿也往往借助通风系统来排出生产空间内的热量及水蒸气，以提高工人作业环境的舒适性。总体而言，煤矿通风系统的合理设计对有效规避煤矿瓦斯爆炸事故及煤矿火灾事故意义重大，同时也对增强煤矿矿井的抗灾性能至关重要。然而，煤矿通风系统的高效运行却始终受到诸多因素的制约，比如自然环境、人为因素、装备设施。众所周知，煤层地质结构异常复杂，因此待煤矿开采深度至限值以后，便会受到瓦斯压力、低温及地应力的影响，由此加重煤矿自然灾害的威胁程度，同时瓦斯涌出量会加重煤层与瓦斯间的突出程度，进而引发严重的瓦斯爆炸事故，当然亦有可能引发煤层自燃及煤尘爆炸事故。我国煤矿企业从业人员的综合素质普遍较低，且大多缺乏应有的安全意识，外加煤矿企业普遍存在轻管理重经济的现象，因此未把煤矿通风工作提升到应有的高度。与此同时，煤矿企业对管理人员的配置过程，往往选用非专业的人员从事煤矿通风安全管理工作，外加对各从业人员的培训工作未落到实处，如此也对煤矿通风系统的安全运行非常不利。据调查结果表明，我国煤矿矿井防尘设施极不完善，因此煤尘堆积及飞扬现象普遍存在，如此势必引发爆炸事故，此外煤矿矿井监控系统不完善，因此监测数据的误报现象普遍存在，如此亦对煤矿企业的安全生产非常不利。

由此可见，实现煤矿通风系统的高效运行对保障煤矿安全生产非常必要。为此，本文引入自动化技术，即浅析煤矿通风领域自动化技术的应用，以期从煤矿通风自动化角度出发，改善煤矿企业安全生产的现状。

2 煤矿通风领域自动化技术的应用

结合前文可知，煤矿通风系统作为煤矿安全生产的重要屏障，是指借助通风系统排出生产空间内的有毒气体，同时注入新鲜的空气，如此保障煤矿开采的安全性与高效性。近年来，随着自动化技术的发展，越来越多的煤矿企业选择把自动化技术应用到煤矿通风领域，即借助操作平台来实时监控煤矿通风系统的运行状态，以便及时发现并处理通风系统运行过程出现的故障，如此实现对煤矿通风的自动化监管，并最终实现煤矿通风系统运行的安全性与稳定性。本章节首先介绍自动化技术的概念，然后再从煤矿通风自动化系统、煤矿通风变频自动化系统、通风自动化控制系统三方面，浅析煤矿通风领域自动化技术的应用。

2.1 自动化技术的概念

自动化技术属综合性技术，即与计算机技术、系统工程、自动控制、控制论、液压气压技术、控制论及信息论等学科间关系密切，且与计算机技术、控制理论间的关系尤其密切。目前，自动化技术的发展呈现出机电一体化、机械功能多元化、控制智能化、结构设计标准化且模组化、结构运动高精度化。截至目前，工业自动化已成为自动化技术应用的重要方向，比如计算机辅助设计、计算机辅助制造、综合办公自动化、人工智能技术及过程控制与自动化仪器仪表。实践表明，自动化技术的应用对推动工业生产的发展意义重大，比如冶金、石油、化工、轻工业等行业，且自动化仪表及集中控制装置的运用对促进连续生产过程自动化的发展至关重要，进而实现工业生产效率的提高。可见，煤矿通风领域自动化技术的应用符合时代发展的要求，同时也对实现我国煤矿事业的可持续发展意义重大。

2.2 自动化技术的应用

近年来，煤矿生产安全事故频发，严重影响着我国煤矿事业的可持续发展，同时也对人民群众的生命财产安全造成严重影响，而煤矿通风系统作为保障煤矿安全生产的重要屏障，越来越受到煤矿企业的重视。为此，煤矿企业逐步引入自动化技术，以实现煤矿通风系统的优化升级。煤矿通风领域，自动化技术的应用主要包括通风自动化系统、通风变频自动化系统、通风自动化控制系统的应用。

2.2.1 基于TCP/IP协议的通风自动化系统的应用

基于TCP/IP协议的通风自动化系统采用“分层、分散、冗余”的设计方法来建构系统的总体结构框架及硬件的配置，同时采用以太环型网络技术、光纤传输技术及多机备用来增强系统运行的可靠性，最终再采用VC+++、组态软件来设计系统的主分站软件，如此实现煤矿通风系统的安全且可靠运行。结合煤矿通风自动化系统的工作原理可知，此系统具备九大功能。本节试图对此进行重点介绍。

基于TCP/IP协议的通风自动化系统具备现场手动操控功能、半自动操控功能、自控功能、“三遥”功能、数据显示功能、故障记忆功能、自动报警功能、冗余功能、拓展功能。

（1）现场手动操控功能是指直接避开分站控制器，完全采用人工形式来操控外部硬件，如此实现煤矿通风机的启动、停止或暂停。

（2）半自动操控功能是指采用人工方式现场操控远程系统的主分站，如此实现煤矿通风机的选择性启动、停止或暂停。

（3）自动功能是指经现场采集来对煤矿通风机的运行信息进行分站，如此实现通风机的自动化启动、停止或暂停，并最终实现煤矿生产效率的提高。

（4）“三遥”功能是指遥测功能、遥信功能、遥控功能，即遥测功能是指对现场煤矿通风机的瓦斯浓度、风压、风量及通风机电机的电流、电压、功率、温度、速度等数值进行远程测量，同时直接把测量数据传递至通风自动化系统的主机；遥信功能是指对煤矿通风机、风门及电机现场开关的运行状态进行远程采集，同时直接把采集到的信息传递至通风自动化系统的主机；遥控功能是指对远方系统的主机进行操控。

（5）数据显示功能是指对本地及远方能够被监测到的信号数据进行实时性显示。

（6）故障记忆功能是指当煤矿通风设备发生故障以后，自动记录与故障有关的所有数据信息。

（7）自动报警功能是指若通风自动化系统的监测值比预设的限值大，则及时对此进行自动报警。

（8）冗余功能是指若通风自动化系统局部出现故障，则自动采取系列补救措施来实现系统的继续运行。

（9）拓展功能是指增加监控分站的同时，实现与通风自动化系统的自动连接。

结合通风自动化系统的工作原理及功能可知，此系统主要由三部分组成，即信息集成分站、工业以太网环形网络与监控、地面疾控中心。通风自动化系统的工作原理详见图1。

如图1所示，基于TCP/IP协议的通风自动化系统主站必须经以太网环形网关及时与系统分站的相关数据进行交换，同时通风自动化系统分站主要完成系统主站命令的接收，同时对通风自动化系统实施自动化的操作。实践表明，煤矿通风领域，基于TCP/IP协议的通风自动化系统的应用能够实现煤矿通风系统的安全且可靠运行，因此对此系统的应用研究具有现实意义。

2.2.2 通风变频自动化系统的应用

据调查结果显示，我国煤矿开采过程普遍采用低效率的通风机，即使用的通风机数量超过数万台，同时通风机的功率从百瓦到千千瓦不等，但实际操作过程，却仅有少数通风机的运行效率能够达到70%，此外风扇型通风机的能耗量均达到30～40%。可见把变频技术应用到煤矿通风领域非常必要，即进行煤矿通风变频自动化系统的改造。研究表明，煤矿通风变频自动化系统的实现必须以对原有设备进行改造为前提，即首先把变频控制柜与原控制柜并联起来，如此利用变频器来操作通风机，进而实现对变频与工频双回路操作系统进行控制，然后再采用“一拖二、一用一备”的操作系统方式来操控主通风机，如此实现工频与变频的自动切换。但需注意，此通风变频自动化系统多使用两台自动化变频器，且首先分别由一台自动化变频器进行控制，然后再撤销原有的风门控制阀箱，如此实现通风变频自动化系统的控制柜对可编程系统的控制器进行直接性操控，进而完成煤矿通风。结合煤矿通风变频自动化系统的工作原理可知，对煤矿通风系统进行自动化改造必须遵循如下改造策略：

（1）远程通信系统与分布式集控系统的接口进行联网，以实现对煤矿通风系统进行远程监控，如此经微机监控便可实现对主通风机任意电机实施启动操作或运行监控。

（2）煤矿通风变频系统的自动化改造过程，自动化的变频柜应设两种风量调控方式，即手动和自动，且对电能风量自动调节的同时，可结合指定的风量实现对变频器的自动调控及变频器运行频率的自动输出，如此实现对变频器的风量及频率进行自动化闭环操控。

（3）煤矿通风变频系统经自动化改造以后，必须同时具备下列功能：过压、过流、过载、电源缺及欠压的声光报警功能；自动化的保护功能；显示频率、指示运行状况及显示电源的功能；就系统运行故障及时且自动发出报警及及时显示各种控制参数的功能。

实践表明，煤矿通风变频系统经上述自动化改造以后，运行效果也明显改善，具体包括三方面的内容：

（1）实现对变频与原工频相互闭锁的控制，即采用PIE变频技术对煤矿通风机实施全程控制，具体采用微机、自动及就地控制方式，但自动化方式的应用最普遍，因为自动化运行过程，若变频器发生故障，则可及时切换到主通风机。

（2）通风机能够实现柔性化启动，且能够对系统电网实施合理性的调整，此调整范围为0～50Hz，如此既能控制机械间的相互掌机，又能改善电机的运行效果，并最终实现电机使用年限的延长。

（3）电能消耗量明显降低，即可使煤矿通风机的节电率达到37%，如此既能实现煤矿生产的安全稳定性，又能实现煤矿企业综合效益的最大化。

实践表明，煤矿通风领域，通风变频自动化系统的应用能够有效改善煤矿企业安全生产的现状，因此若要实现我国煤矿事业的可持续发展，必须对此项应用予以足够的重视。

2.3 基于DCS技术的通风自动化控制系统的应用

煤矿通风领域，DCS技术的应用多由多级分层的计算机控制系统来实现，即采用“控制与危险分散、操作与管理集中”的设计思想。研究表明，DCS技术采用分级递阶的分布式结构，由此表现出易扩展、易变更、操作灵活的特点，同时经高速数据总线可实现各级间信息的相互交换。除此以外，过程控制级能够实现对煤矿通风过程的平稳操作，而对控制管理级的优化能够实现协调管理及优化工作点的目的，注意控制管理级涉及神经网络控制、模式控制、预测控制及专家系统等软件。基于DCS技术的煤矿通风自动化控制系统的工作原理详见图2。

如图2所示，基于DCS技术的煤矿通风自动化控制系统的应用过程，利用传感设备对巷道及工作面实施实时性监测，能够测定出煤矿工作空间的压力、风速、瓦斯浓度、粉尘含量及有毒有害气体含量，同时能够把各监测数据转换成数据信号，然后再借助光纤网络把各数据信号输送至DCS控制系统的数据采集站，此时再借助智能系统就接收到的数字信号予以处理，最后再对预设的最优范围参数与所得结果进行比对。如此结合比对结果，若煤矿工作空间出现瓦斯突出的现象或各项指标超出预设限值，则智能控制系统便会同时发出警报和指令，如此经电机控制集成电路系统便可实现对主风机的控制或对通风设备的正常运行发挥辅助作用，同时增加局部或总体的供风量，进而实现各项指标的降低，此外待各项指标被调节至正常范围以后，控制系统再对各通风设备进行相应的调节，以实现对风量及通风耗能的合理控制，并最终实现煤矿开采成本的降低。实践表明，基于DCS技术的煤矿通风自动化控制系统的应用既能够实现节能降耗的目的，又能够实现煤矿企业的安全生产。可见，对此项应用的研究具有现实意义。

3 结论

结合前文可知，近年来，我国煤矿安全事故频发，且煤矿生产成本普遍较高，由此严重影响着我国煤矿事业的可持续发展，甚至严重制约着我国人民群众生活质量的改善。另据调查结果显示，对煤矿通风系统的优化改造能够实现节能降耗及控制事故发生率的目的。可见，对煤矿通风系统的优化改造具有现实意义。本文着重从三方面阐述了煤矿通风领域自动化技术的应用，即基于TCP/IP协议的通风自动化系统、通风变频自动化系统、基于DCS技术的通风自动化控制系统。经研究，可得出下列结论：

（1）基于TCP/IP协议的通风自动化系统具备九大功能，且借助此系列功能能够实现煤矿通风系统运行的安全性及可靠性。

（2）通风变频自动化系统的应用过程，必须事先对原有设备进行优化改造，且按文中所述步骤进行改造以后，煤矿通风运行效果显著。可见，煤矿通风领域，通风变频自动化系统的应用能够实现对通风运行故障的有效控制，进而有效改善我国煤矿企业安全生产的现状。

（3）基于DCS技术的通风自动化控制系统的应用既能够实现节能降耗的目的，又能够实现煤矿企业的安全生产，因此各煤矿企业必须高度重视对此项技术的应用研究，以实现企业的可持续发展。

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[责任编辑：薛俊歌]