浅谈井工矿主通风机集中控制系统

高静，杨硕

（国能和利时信息技术有限公司，北京 100011）

0 引言

矿井通风是指将新鲜空气输入矿井下，增加氧气浓度，以稀释并排除矿井中有毒、有害气体和粉尘。矿井通风的基本任务是：供给井下足够的新鲜空气，满足人员对氧气的需要，冲淡井下有害气体和粉尘，保证安全生产[1]。主通风机自动监控系统的安全可靠在煤矿安全生产中起着非常重要的作用。通常，通风系统设有以下几部分，保证在风机发生事故或者检修时的安全生产。

（1）地面风道闸门:风机入口前设垂直闸门，主要用来调节风量和倒换风机。

（2）通风管道:风机风道处安装测量差压、静压的气样管道及流体温度传感器。

（3）风门绞车:主要来开关风道闸门。

1 集中监控系统

1.1 监控范围

在主通风机集中监控系统中，系统执行机构主要包括通风机电机，闸阀，风门绞车。而主通风机是井工矿的重要设备之一，为了保证煤矿通风过程安全可控，需要实时监测风机进风口处静压，风压，湿度，一氧化碳浓度、风速、风量等一系列的参数[2]，便于设备的工作状态能够被在线远程分析和诊断，技术人员不在现场就可以通过监控界面了解生产过程实际情况，帮助现场第一时间解决发生的问题。详细监控范围如下：

（1）通风系统风量、风速、静压、全压、甲烷浓度等参数。

（2）实时检测每台风机的电量参数：电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数。

（3）风机前后轴温、振动情况。

（4）通风系统电气参数和设备运行状态参数等。

（5）风门启停状态，以及该设备之间的自锁和互锁状态。

1.2 监控目标

主通风机集中控制系统体现“安全可靠，功能完善、实用经济、结构简单”的设计原则，并定位于煤矿集中监控层和现场监控层，完成对主通风设备及其辅助设备关键参数的实时监测和控制。并通过可视化界面提供的历史曲线、数据查询、报警/日志管理等功能，自动分析设备运行情况，提高煤矿的通风能力和抗灾能力，从而实现主通风系统的安全运行自动化水平。

1.3 集中监控系统应用架构

井工矿主通风机集中监控系统主要采用典型的3层架构，即数据采集层、服务层、界面展示层。数据采集层主要提供标准工业以太网协议驱动，将主通风机的主要设备和辅助设备的重要状态、关键参数实时采集到集中监控系统中，为实现主通风机远程监控提供数据基础。其次，通过实时数据处理服务、历史数据服务、报警日志服务等对采集的实时数据进行处理、包括压缩、加密、计算、存储。同时根据配置的报警条件实时判断主通风机及辅助设备是否发生故障，如果判定发生故障则对报警内容进行实时推送和存储，同时记录系统所有的变位日志和操作日志，便于事件分析和追溯。最后通过动态特性、趋势曲线、多样化图表等生动直观的人机界面对主通风机及其辅助设备状态进行可视化展示。

图1 主通风机集中控制系统应用架构

1.4 主通风机自动化控制

本文以矿山通风系统典型的矿用防爆对旋轴流式通风机为例，根据煤矿井下通风需求，设计了主通风系统关键设备程序控制逻辑，并提供可视化操作面板，为实现主通风机自动化控制提供便利。

首先集中监控系统控制模式包括两种，即就地控制/远程控制。就地控制即就地操作箱控制方式选择开关置于“就地”位，通过就地操作箱上的起、停按钮对设备直接进行现场控制。远程控制即操作人员得到授权后可通过集中监控平台部署在现场的客户端，完成矿井主通风机及其辅助设备的起、停以及运行闭锁、故障解除等控制。远程控制和就地控制状态的切换需要通过集中控制系统上位机界面上的虚拟转换开关或者现场的转换开关的来控制，就地控制模式的控制级别高于远程控制模式。主通风机实现集中控制的前提条件是设备处于远程控制模式。

其次，远程控制模式下，设备包括三种控制方式，分别是单机控制、半自动控制、全自动控制。其中单机控制模式只能对单个设备进行控制，半自动控制方式，可以实现对一组设备的顺序控制，而全自动控制能够实现主备风机之间的一键切换。本文着重介绍后两种控制模式。

半自动模式下，可对设备进行程控，以一号风机启动程控为例，启动顺序为1号垂直风门->1#蝶阀->通风机。通风机停止程控顺序为启动的逆过程。详细过程如下图所示：

图2 主通风机半自动控制逻辑

全自动控制完成主备通风机的一键切换，在传统切换模式下，关闭1号主通风机，待1号主通风机停稳后，关闭1号风路切换风门，打开2号风路切换风门，再启动2号主通风机[3]。这种切换过程中往往存在的一些问题，第一，由于设备启停需要时间，所以切换过程种有一段时间可能导致无风，容易造成井下瓦斯超限；第二，如果遇到切换到备用风机的同时备用风机发生故障，使得切换失败，那么需再启动原风机，这个过程也需要一定的时间，这也给井下环境造成一定的安全隐患[4]。而本文采用的主备风机切换方式可以既可实现停机不停风，也可避免切机的同时保障上述第二种情况的发生。

本文设计的两台风机的切换方法主要包含三个步骤：

图3 主通风机全自动控制逻辑

第一步：在1号主通风机正常运转的前提下，打开2号水平风门，并启动2号主通风机（备用主通风机），实现两台风机的热备[5]。

第二步：1号主通风机的垂直风门和蝶阀依次关闭，与此同时打开1号水平风门。再逐步打开2号风机的垂直风门和蝶阀。

第三步：关闭2号水平风门，当2号主通风机稳定运行5分钟后，停止1号主通风机，完成两台风机的无扰切换。

在此期间，当启动2号主通风机时，如果遇到2号风机故障，那么直接关闭2号水平风门，停止切换动作，并发出报警，等待故障复归后方可执行风机的一键切换控制。

1.5 报警联动

主通风机的正常运行是为井下提供安全生产环境的关键，所以主通风机集中控制系统需提供完善的报警机制，包括报警推图、语音报警、视频联动三个方面。当系统检测到主备通风机都发生故障停止运行5秒后，系统会自动发出报警“两台风机停止运行”的语音报警，将通风系统监控主页面推送至人机界面最前端，并在通风界面中显示“2台风机同时停止”醒目字样，同时联动视频，弹出通风系统对应的视频画面，便于及时通知用户当前发生了重大报警，并方便用户观察设备周边的环境情况，以便以最快的速度响应报警[6]。

图4 主通风机报警监控界面

1.6 权限管理

为了系统的安全性，系统采用基于角色的用户权限管理的机制，系统内预先定义好权限种类，包括状态监测、用户管理、远程控制、报警管理、日志管理、趋势查询等，角色和用户也可以根据自身需要进行定义。通过限制不同人员的操作权限，来实现系统的安全。登录之后操作员拥有自己的访问级别，同时获取了相应的操作权限。

图5 主通风机集中控制系统权限控制原理

同时系统设定了访问时间，将用户对系统的访问时间和系统内录入的排班计划进行绑定，当访问时间超过计划时间后将自动注销，换班后操作员必须重新登录后才能对设备进行控制，否则用户只能状态监测[7]。

2 结语

本文阐述了一种井工矿主通风机集中控制系统的应用方法，叙述了该系统应该具备的基础功能，通过该系统在井工矿中的实施应用能够完成主通风机及其辅助设备状态的监控，以及主备风机的稳定切换，大大提高煤矿的自动化水平。完善的报警机制和权限控制策略充分保证主通风机安全可靠运行，是矿山安全生产的重要手段。到目前为止，该系统已经应用在多个煤矿，也具备较广阔的应用前景，能够拓展应用至更多的煤矿。