矿井通风安全自动监测报警系统的设计

朱建峰， 孙 鑫

（山西宁武大运华盛能源集团有限公司， 山西 宁武 036700）

引言

矿井通风系统作为综采工作面的呼吸系统，其主要任务是为工作面输送干净的空气，降低工作面的瓦斯、粉尘等浓度，为作业人员提供健康、相对安全的生产环境[1]，因此，矿井通风系统对煤矿安全生产十分重要。为进一步提升矿井通风系统的自动化、智能化水平，要求系统能够实现对工作面瓦斯、粉尘等浓度的自动监测，并对监测结果进行处理分析，从而实现对通风机的实时精确控制。本文将着重对矿井通风安全自动监测报警系统进行设计，为矿井通风安全奠定基础。

1 通风自动监测系统结构的分析

矿井通风安全自动监测报警系统包括有硬件控制系统和软件控制系统。其中，硬件控制系统主要是采集工作面各类信息的设备、处理所采集信息的设备、工控机以及报警器等；软件控制系统为基于通风自动监测功能所编制的控制程序[2]。

1.1 硬件系统结构

根据矿井通风安全自动监测报警系统的控制要求，特设计如图1所示的自动监测报警系统。

如图1所示，矿井通风安全自动监测报警系统主要包括有通风机、传感器、变频器、PLC控制器以及上位机等[3]。为确保监控系统能够为通风机的控制提供基础，要求监控系统的硬件部分满足以下要求：

1）风压、风量是该系统主要监控的两项指标，要求系统所选的风压传感器和风量传感器能够能够对工作面的风压和风量进行全天候24 h的监测。当所监测到的数据超出限值时，要求系统立即报警。

图1 自动监测报警系统硬件组成

2）要求所选各类传感器、变送器等设备能够满足恶劣的工作面环境，具有较强的可靠性和稳定性。

3）要求系统能够对通风机前后轴承的振动情况进行监测。

4）工作面各类传感器所采集的数据能够精确地经PLC控制器上传至工控机中，要求系统能够对实时监测到的数据进行显示、记录以及打印等。

1.2 软件控制系统

软件控制系统主要通过程序实现自动监控系统的各项功能。根据矿井通风安全自动监测报警系统的控制需求，要求其软件控制系统满足以下功能：数据通讯功能；将所监测到的数据图形化的功能；对所采集到的数据可进行查询、存储功能；能够显示通风机的工况点，并可对事故进行预警和追忆；能够将所需打印的数据进行打印。

2 通风监控系统硬件的设计

监控系统的硬件设计主要指的是PLC的输入输入量的设置。本监控系统采用的PLC的型号为S7-300，其硬件结构图如下页图2所示。

如图2中的接口模块用于实现PLC与触摸屏之间的连接。在本监控系统中，所选用的触摸屏为M370触摸屏，并可以实现其与PLC的多点连接，最终实现了完美通信。数字量的输入、输出模块主要用于检测开关量的动作情况；模拟输入模块主要功能是实现对风量、风速以及温度等参数模拟量到数字化的转换；通信模块是实现下位机与上位机通信的关键模块；综保装置的主要功能是实现对系统中电动机的保护，并对相关电气参数的远程监测，通常情况下综保装置安装于控制室[4]。

图2 PLC硬件结构图

针对矿井通风自动监测报警系统的控制要求，传感器作为提供该系统控制的基础。因此，传感器的选型尤为重要。经调研，该监控系统所选传感器的型号及功能如表1所示。

表1 监控系统关键传感器

3 监控系统软件的设计

在各版本组态软件对比的基础上，本监控系统选用组态软件INTouch9.5实现对监控系统的软件设计。基于监控系统的软件设计操作人员可以形象地在人机界面获取被监测对象的工作状态，并将指令通过人机界面发送至PLC中。

3.1 监控系统界面的设计

监控系统的监控界面可以形象、直观、方便地实现对主通风机的实时运行状态和下一步动作进行监测和控制。因此，系统的监控界面包含有系统的主界面、主通风机的运行状态、登录界面以及电动机的实时运行状态等。其中，监控系统的主界面如图3所示。

3.2 监控系统数据管理的设计

监控系统的数据管理主要指的是主通风机实时运行状态的数据，将这些所采集到数据经过处理后上传于主机中，方便工作人员对以往设备的运行状态进行查询和统计[5]。本监控系统的数据交换主要是通过常用的动态数据交换协议实现其功能的。本监控系统的数据结构图如图4所示。

3.3 数据报表的设计

数据报表是为工作人员查询以往设备工作状态而来的。在本监控系统中，数据报表主要包括有实时设备运行状态报表、设备运行历史状态报表以及报警记录报表。比如，当所监测的值超过系统设定值时，监控系统会立即发出报警并记录报警数据。从而，工作人员可以随时随地对发出报警的数据进行查询，以便更气清晰、准确地对通风系统的运行状态进行分析。

图3 监控系统主界面图

图4 监控系统数据结构图

4 结语

矿井通风系统作为综采工作面呼吸系统，其主要任务是为工作面提供新鲜的空气，为作业人员提供安全、健康的生产环境。瓦斯、粉尘作为威胁工作面安全生产的主要因素，基于通风系统能够将瓦斯及粉尘浓度得到有效改善。为实现对煤矿综采工作面通风情况的实时监测，进而对通风机运行状态的实时控制，本文基于PLC设计了一款矿井通风安全自动监测报警系统，为综采工作面的安全、高效生产提供了支撑。