复杂矿井通风安全监测系统的优化研究

孙成尔

（西山煤电集团有限责任公司西山救护大队，山西 太原 030200）

1 通风系统现状

西山煤电目前采用两翼对角式通风方式，机械抽出式通风方法，在回风井处安装两台防爆对旋式轴流风机，由YBF 型电机驱动，通过改变风机的叶片角度来调整风量，以满足各种通风需要。对回采工作面的通风布置呈U 型，对掘进工作面的通风采用独立的局部通风，变电所、消防、水仓、水泵房等利用全负压进行通风[1-2]。井下通风系统目前通过人工来操作，会使风量出现分配不均匀情况，影响系统的稳定性，而且不具备远程实时调控风量功能，在出现紧急情况时不能及时采取措施。因而对通风安全监测系统进行优化，对各个用风地点的风量进行按需分配，实现系统的智能化，根据现场动态监测的实际情况，合理及时进行调整。

2 通风监测系统运行参数

2.1 振动参数信号监测

通风机中由于转子的运动会出现一些振动问题，间接地反应到轴承座上，振动会引发设备发热，进而出现磨损，降低使用寿命。由于无法直接监测出轴承的运行状况，可通过轴承和轴承座的内在联系，监测轴承座的振动情况来判断轴承的状态。在通风机的前后轴承上分别安装两个传感器来监测轴承座的振动，得到振动参数。

2.2 温度参数信号监测

由于风机磨损等内部故障通常会导致通风机电机轴的温度过高，风机叶片在电机轴的运转下长时间工作，使轴的温度不断升高，在超过电机轴所能承受的最高温度时，便会烧坏电机。通风机的温度过高时，其内部的一些零部件基本已经磨损，影响作业的安全性，根据温度传感器的特性及其应用对应选择传感器。由于铂的测量精度高，性能稳定，选择PT100 铂热电阻监测电机轴的温度，在电机轴温度超过设定的阈值时，使电机停止运行并报警，以防电机被烧坏。

2.3 风量参数信号监测

通风监测系统中对风量参数的监测也是十分必要的。在风流动过程中，由于流场的不均匀性，在同一测量截面处要对多个点进行测量，工作量较大，而且精确度不高，在外界气候影响下，流场容易受干扰，影响测量的精度，很难保证流场的均匀性。因此，采用分体式组合动压管，测量通风机的流量和压力，保证井下作业的安全可靠，防止出现安全事故。

2.4 压力参数信号监测

在通风机工作过程中，要实时监测通风道中的静压力和全压力，采用钻孔取压，在通风机的入口处安装压力传感器，实时进行监测，将监测的各类压力信号转换成电信号。

2.5 风机启停信号监测

对通风机启停信号进行监测主要是对井下各类交流驱动机电设备状态进行监测，将监测的信号传输给PLC，通过感应来测试电缆周围有没有磁场，进而确定电缆中有没有电流流过，以检测设备的工作状态。

3 通风监测系统结构设计

3.1 硬件设计

根据实际工作要求，对通风监测系统进行优化设计。通风监测系统的硬件设计主要包括上位机监测管理层、网络通信层、现场监测层三部分，总体结构如图1。将传感器安装在需要的位置，通过现场监测层监测通风机以及通风量等参数，并将参数传输给PLC 主控制器，控制器对参数信息进行数据处理，然后按照预先设定的逻辑运算得到最佳通风方案，在网络通信层作用下传输给上位机监测管理层，便于工作人员及时监测井下的通风情况[3]。由于井下工作环境的复杂性，为了减少干扰，增强通信，提高传输效率，采用RS458 通信模块进行差分传输。上位机监测管理层就是通过工业控制计算机，将井下传输的信息实时显示出来，便于监测和控制。

3.2 软件设计

通风监测系统的软件采用S7-300 进行编程[4]，整个监测系统软件由多个子模块组成，采用模块化编程是为了后续调用简便和扩展功能，软件设计的主程序流程图如图2。首先对每个单元进行初始化处理，待数据信息采集子程序传输到采集信号后开始，在通风机运行时，不断监测通风系统的状态，并将传感器监测的数据传输给PLC，对通风量进行逻辑运算，并给出最佳通风量控制信号，调用控制方式子程序，控制相关机电设备的动作，调用风机运行监测子程序，监测通风机和通风量的运行状态，判别控制方式以及通风量是否在要求范围内，调用故障预警子程序。根据实时监测出的结果，与PLC控制器的阈值进行比较，得到预警报警信号，判断各类机电设备能否正常工作，及时反馈给井下操作人员和地面监测人员，便于维修，提高了设备的工作效率。

图1 系统硬件设计图

图2 主程序流程图

4 实际应用

将优化后的通风监测系统在西山煤电进行应用，采用两台防爆抽出式对旋轴流通风机，每个通风机用两台电机带两个风叶工作，一备一用，正常情况下，一个月倒换一次。通风监测系统的主画面如图3，主要对通风机运行过程中的风压、风速、流量、功率以及电机等参数进行监测。通过实时曲线直观地监测同一时间每个监测量的对应关系，以及短时间内监测量的变化情况，及时掌握通风机当前的运行状况；通过历史数据查看过去一段时间内，各监测量的变化趋势；通过统计报表将任意一段时间内，各运行参数的变化情况以报表的形式显示出来，便于查看和储存；通过告警信息快速查找出系统的故障，便于维修和解除故障，提高系统的稳定性。

通风监测系统自运行以来，通风效率明显提高，总配风量从3000 m³/min 增加至3350 m³/min，采煤工作面风速由1.3 m/s 增加至 2.1 m/s，掘进工作面风速由0.7 m/s 增加至1 m/s，且随着风速的增加，工作面的环境温度从26 ℃降到23 ℃，工作环境得到很大改善。

图3 监测系统主画面

5 结论

（1）构建现场监测层、网络通信层、上位机监测管理层三层网络，以PLC 主控制器为核心，对数据进行处理和运算，实现最优通风调节。

（2）使用模块化编程，便于对子程序的调用，运行监测和故障报警子程序，提升井下作业的安全性。

（3）通风监测系统自运行以来，稳定性较高，通风效率明显提高，总配风量从3000 m³/min 增加至3350 m³/min，采煤工作面风速由1.3 m/s增加至 2.1 m/s，掘进工作面风速由0.7 m/s 增加至1 m/s，应用效果显著。