煤矿井下生产管理综合信息平台研究设计

林宇 杨梅

成都工业学院，中国·四川 成都 611730

1 引言

在现有的设计方案中，一般采用的是救生舱方案来进行安全避难，但普通救生舱只在突发灾害发生时供作业人员避难使用，在无灾害时不能为生产提供有效的价值[1]，这样在无形中给生产企业带来了负担，也占用了有效的资源。为了解决生产中的实际问题，论文设计了一种能够在无灾害时为井下作业提供信息采集、通讯保障、生产指挥、集中调度、信息交换控制平台的功能；在突发灾害发生时，能为作业人员提供生命安全保障的生产管理综合信息平台。

2 综合信息平台整体设计与功能实现

2.1 综合信息平台设计概述

当生产正常时，该平台主要收集三方面的信息：生产信息、安全生产监控信息、生产指挥调度通讯信息。当发生灾害时，该平台起到救生的作用。

2.2 煤矿井下生产自动化信息平台主要功能

在无灾害时，能实现通风管理、基站管理、泵机组管理、井下（舱外）各数据采集与处理、射频信息管理（人员定位）、生产信息记录和汇总、报警功能、数据库管理、信息交换功能、生产调度功能、配电管理、设备管理、传感器信息管理等。

在发生灾害时（救生舱功能），系统能够实现舱体具有足够的强度、刚度、密闭性和防冲击性。舱门具有电动手动两种开闭方式，舱内人员具备坐、卧两种休息方式，具有空气净化、二氧化碳分解能力，供氧能力，保湿、保压、保温调节功能，完整的照明体系，报警灯警示功能，通讯功能，冗余智能控制功能，冗余供电功能，多种传感器参量数据采集处理功能，向舱外排水排气功能，实时监控功能，排泄物和废弃物以及死体的封包处理功能，医疗的自我救助和心理辅助功能。此外，还可以设置一键启动，具有按钮少、智能化程度高的特点。

3 基于SCADA 软件信息平台的系统设计

3.1 矿区展示面设计

3.1.1 矿区剖面展示

通过SCADA 软件对整个矿区进行仿真设计，简单展示矿区的周边状况和矿用移动式救生舱的停放位置。救生舱距离采掘区1000m，随着采掘深度的延伸而向前移动[2]。

3.1.2 矿区系统图

该设计的控制仿真画面包含两个图，矿区正常工作时，显示的是井下系统图，可显示井下各个设备的运行状况，方便监控人员了解井下系统的运行状况。当发生危险情况时，逃生人员进入生活舱，按下一键启动按钮后，画面就会出现救生舱系统图，能够了解救生舱内各设备的运行状况，让监控人员对舱内逃生人员的环境有大致了解。

3.2 硬件救生舱设计

3.2.1 生活舱

逃生人员进入生活舱后，按下一键启动按钮。救生舱各个设备开始运行，为逃生人员提供一个可以生存72h 以上等待救援的环境[3]。下部分为座椅，一侧放有两组冗余电池组，当外部供电线路断开时，可以为直流屏提供足够的电能。另一侧放有足够的压缩干粮和饮用水，座椅上面有两块可以打开放下的睡板，供舱内人员休息。

生活舱内部装有大量的气体传感器，将检测到的气体含量传入PLC，PLC 经过计算比较等操作，来控制舱内相关设备和调节阀的状态，使舱内环境形成一个适合人员生存的动态平衡状态。照明灯和开关舱门可以由舱内人员根据情况自行操作，靠近过渡舱舱门的位置有一个空气净化器，可以吸收空气中的部分有害气体和去除空气中的异味。

3.2.2 过渡舱

过渡舱设有一个水泵和一个空气泵，当过渡舱有积水时，可以打开过渡舱门，让水经小水泵强制打出；当舱内压力过大或空气净化系统无法吸收的有害气体含量过高时，由PLC控制空气泵向外部排气，为防止外部水压或气压过大，保护人员的安全，水泵和气泵均设有单向阀。过渡舱内的灭火器和防毒面罩，在发生小型灾害或在救生舱出现问题时，均可以使用。

3.2.3 设备舱

设备舱是整个井下系统的核心，IPC 和PLC、变频器均锁在柜子里，不允许被任意修改；其主要由空气净化系统，控制系统，供电系统，废物处理系统，医疗系统与尸体处理系统组成；设备舱设有一个备用的排气口，防止过渡舱排气口被堵塞时，造成舱内压力过大和有害气体不能被排出的情况发生。

红色十字的醒目医疗包，可以为舱内人员提供简单的基本医疗救助，若有人不幸遇难，尸体停放室可以将尸体封装停放，防止腐烂让细菌增长而危害存活者。

抽屉式马桶采用与飞机内马桶相似的原理，排泄物全部封装打包，并放入废弃物收集箱。

3.2.4 救生舱舱顶

顶部分布有管道和LED 照明灯，在过渡舱和设备舱顶部，均有可以向内打开的逃生门。

3.2.5 气体净化系统

通过生活舱吸风扇和轴流式风机的共同作用，生活舱气体由管道进入设备舱的气体净化装置，首先经过饱和Ca(OH)2溶液，可以吸收部分有毒气体、烟雾及大量的CO2。

液氮和液氧，分别过缓冲阀、气动三件套和调节阀经一级混合后，在轴流式风机的动力下，再与被净化后的空气充分混合，通过分子筛送入生活舱。

3.2.6 救生舱供电系统

如果外部线路没有损坏，则救生舱由低压变电站提供的电能经直流屏供救生舱内设备运行，如有外部线路损坏，两组冗余电池组进行无缝连接，严格保证舱内人员的安全。

3.2.7 救生舱通讯设备

救生舱通讯采用有线与无线并存的模式，可视电话、显示器、触摸屏分别可以起到通讯、心理安慰和观察舱内参数的作用，分布在生活舱中，并且生活舱的摄像头也可以通过网络将舱内的画面送至地面[4]。

3.3 安全巷道整体设计

3.3.1 巷道图

其所设计的仿真画面主要显示救生舱停放的具体位置，以及舱壁上的射频器对人员的扫描情况。

3.3.2 灾害逃生图

其仿真画面显示的是当发生不同的灾害时，报警系统和人员撤离的情景。

3.3.3 巷道通风系统

正常情况下，由主风机、中继扇和局扇实现井下的正压风；当发生灾害时，主风机反转，除风管里的轴流式风机照常运转外，其余风机停止运行，此时，井下的压力瞬间小于常态的压力，由正常情况下的出风口进风，形成一种气流定向、稳定的负压风，与外界贯通而不是仅仅在空间内进行内循环。

3.3.4 巷道电力系统

井下供电由地面线路→高压变电站→低压变电站，再通过配电柜传送至各个设备。

3.3.5 巷道通讯系统

在每个有效范围内的拐角处设置无线网络基站，以保证井下无线网络的正常运行。

3.3.6 巷道水系统

集水坑泵机组将抽出的水，经两级泥浆泵送至水厂，地面泥浆泵可由水厂中的工作人员，根据情况抽到地面。同时，地面供水站，将干净水经水管送至井下，供工作区喷射高压水使用。

3.4 工作区

3.4.1 矿井工作区

矿井工作区是对工作区和配电板的总体展示，该画面显示了工作区各设备的运行状况和主要参数

3.4.2 采掘区

采掘区由综合采煤机钻头将每层打碎，通过溜槽式刮板运输机和皮带运输机运至集煤器，再由集煤器电动门阀控制，让采集的煤送至煤车。

3.4.3 工作区集水坑

集水坑泵机组主副水泵均采用两级调速，由液位传感器将采集来的液位值传送给IPC，在由IPC 控制变频器调节泵机组的转速。

3.5 监测系统

3.5.1 舱内变量监测

监测画面显示救生舱内各气体的平均值和有害气体的峰值，并且以每秒一次的频率记入Access 数据库（需建立ODBC 数据源DSN=lishi，其关联的数据表为：舱内变量）（当一键启动没有触发时，即传感器没有工作，所以数值为0，也不会记入数据库）。

3.5.2 巷道监测

画面主要是对巷道、采掘区、掘进区的主要气体含量平均值和巷道内主要设备的运行状况。

3.5.3 数据库查询

数据库查询，可以查询关联至Access 数据库中的内容，该系统中调用了King View 提供的KVADODB Gird class 控件。

3.6 报表系统

3.6.1 历史数据报表

先在组合框中选择所要查询的区域，点击查询后，会出现该区域可以查询的变量值，然后选择开始和结束时间等，即可以查询出这个时间段内的历史数值，见图1。

图1 历史数据报表

3.6.2 报警系统

报警系统具有实时报警、历史报警和报警查询的功能，报警查询可以根据想要查询结果的不同进行升序和降序排列。

3.7 趋势曲线

3.7.1 实时趋势曲线

在右侧的组合框中选择所要查询的实时曲线区域，在下面的曲线中则会自动出现所选区域的实时曲线，见图2。

图2 实时趋势曲线

3.7.2 历史趋势曲线

先在组合框中选择所要查询的区域，然后点击设置查询时间，选择起止时间和查询间隔后，在趋势曲线中就会出现相应的历史曲线。另外，可以进行用户、管理员登陆、注销，以及打开导航窗和系统退出等操作[5]，见图3。

图3 历史趋势曲线

4 结语

本设计实现了一机多能，达到了节约能源的功效，使救生舱不会因为没有灾害的发生而无用武之地，率先实现了有灾害和无灾害的工作模式，为企业减少了经济负担，为作业人员提供了安全保障，极大地增大了普通救生舱的市场应用前景。与SCADA 强大的图形功能和数据采集功能相结合，极大地增强了组态画面的真实感，使工程效果更加逼真、可信。设计内容符合市场需求和本次大赛创新性的要求，是一个具有高度可行性的设计方案。