智能矿山环境下局部通风机自动化控制系统的研究与应用

姜占东，杨 阳

(国家能源集团宁夏煤业公司 石槽村煤矿，宁夏 灵武 750411)

石槽村煤矿目前已经建设了智能采煤、智能掘进、智能运输、自动化排水等系统，系统传输网络采用10 000 M工业以太网，连接有主排水泵房、井下变电所、胶带运输、副井提升机、主通风机，压风制氮等系统。其中主通风机远程控制系统通信为PLC工业总线通信，通过通信基站将工业总线数据转为TCP/IP协议再通过工业环网交换机，上传至地面风机远控系统平台。然而，由于煤矿井下掘进工作面、集中排水点等局部通风机通风地点局部通风并未与主通风机远程控制系统平台同步建设，且井下局部通风机布局分散，安装使用环境恶劣，移动频繁等原因，造成了通风远程控制的死角和安全隐患。由于煤矿电力系统不可避免地存在电压波动、闪络等因素，瞬时会波及局部通风机的供电电源，导致井下局部通风机经常出现大面积无计划停电、停风事故。发生停电、停风事故后，从地面到井下，由人工进行逐级送电，最快需要30～40 min，存在掘进工作面迎头有毒有害气体聚集的风险，严重威胁矿井安全生产。利用智能矿山的物联网环境，进行局部通风机的自动化改造，在地面对局部通风机进行远距离启停控制，减少无计划停电停风事故影响是进一步保障煤矿安全生产的重要举措。以矿山局部通风机自动化改造为例，来论述智能矿山环境下分散控制系统改造的新方法。

1 主通风机PLC控制与局部通风机控制

智能煤矿综合自动化系统基本构成如图1所示，矿山各种子系统均接入到这个统一传输网络[1]。智能煤矿建设系统基本均采用的这种子系统接入方式[2-3]。

图1 智能煤矿综合控制系统基本构成Fig.1 Basic composition of intelligent colliery integrated control system

主通风机远控系统通常在地面通风机房实现，通过PLC系统监测通风系统的风流、风速、振动、电机温度等多种信息，由工业总线传送给监控用PLC，并转为TCP/IP协议通过工业环网交换机，将数据集中上传至集控中心的地面风机远控系统平台。控制指令的下传过程是由主机发出控制指令，经TCP/IP协议，再转换成PLC控制器的指令，对风机发出控制指令。

传统的PLC控制系统需要进行大量改造，主要原因是由于各种传感器、控制器等部件基本上都是通过PLC的主CPU接入网络的，也就是说，这些部件在网络上不是独立存在的，而是被束缚在PLC子系统中的。显然，这样的系统适合固定地点与系统的监控[4]。对于局部通风机监控来说过于复杂，也不适合用于局部通风机这种监控量小、随时需要移动的场合。然而，智能矿山环境实现了“物”与“物”相联的概念，这给局部通风机控制系统带来了监控所需的灵活性。

2 局部通风机控制系统改造方案

未改造前石槽村煤矿局部通风机风机远控系统需矿内工作人员下井前往风机安装地点进行人工手动启停风机操作，浪费大量人力进行风机切换实验。随着国家提出智慧化矿山的改造要求《煤矿智能化建设指南(2021 年版)》，该矿搭建了局部通风机风机远控平台，通过调度室的远控平台实现对井下局部通风机风机的远程控制。

2.1 局部通风机风机远控系统组成

局部通风机风机远控系统由风机开关柜保护装置、风机专用馈电保护装置、风机专变保护装置、井下变电所内高压开关柜、通信基站、矿井环网、调度室风机远控平台等组成。整个系统分4级操作，第1级井下变电所专用高压开关柜、第2级为风机专用移动变电站、第3级为风机专用馈电开关、第4级为风机开关，如图2所示。

图2 井下局部通风机通风控制系统的4级示意Fig.2 Level 4 schematic diagram of ventilation control system of underground local ventilator

其中井下变电所高压开关柜已经接入智能矿山的变电所集控系统。但后3级为局部通风机风机专用供电设备，通常并没接入智能供电系统。因此，需要对井下现有的风机移变、风机馈电、风机开关等设备保护器进行升级改造，保证其与电力监控系统具备通信功能，达到效果最优化。此外，根据《煤矿安全规程》，需要利用安全监测系统或现场监测来提供风机电源开关附近的有毒有害气体参数，当风机电源开关周边瓦斯浓度超过1.0%时，对风机电源开关的上一级电源进行闭锁。

2.2 局部通风机风机远控系统改造方案

局部通风机风机远控采用有线+无线方式。即适合布线的风机移变、馈电开关及风机开关之间采用RS485有线通信方式，而风机开关与现场数据监测采用远距离低功耗LoRa无线通信方式。

(1)局部通风机监控与LoRa模块。局部通风机风机专用移变、风机馈电开关和风机开关都进行升级改造，专门研发与电力监控系统具备通信和控制功能的监控模块，实现分合闸控制。风机远控系统井下通信为RS-485总线通信，通过通信基站在井下变电所高压开关中将RS485总线数据转为TCP/IP协议通过工业环网交换机，上送至地面局部通风机风机远控系统平台。3个模块功能与结构基本相同，只要在其中集成LoRa无线模块就可以构成风机开关使用的带有无线传输功能的模块。根据《煤矿安全规程》的要求，LoRa无线环境监测模块目前只监测开关附近的瓦斯浓度数据，并无线单向传送到风机开关内的LoRa模块，由该模块将数据转换成RS-485数据进行传输。而当风机开关附近有监测监控系统的监测数据时，可以不接入LoRa模块，而由智能矿山系统将监测监控系统中的数据传输给局部通风机监控系统。这样可利用智能矿山数据共享的特点。不管是LoRa环境监测模块的瓦斯数据，还是监测监控系统中的瓦斯数据，当风机电源开关周边瓦斯浓度超过1.0%时，对风机电源开关的上一级电源进行闭锁断电。

(2)上位机中局部通风机监控模块。对电力监控系统开发一个风机电源远程监测监控子模块。

2.3 局部通风机远控系统技术参数

(1)电压等级。局部通风机远控系统中的第1级为井下变电所高压开关柜，其电压等级为10 kV，第2级、第3级、第4级电压等级为1 140 V/660 V。

(2)通信方式。通过无线方式接收数据，并通过有线方式将数据转发。风机远控系统井下通信为RS-485总线通信，通过通信基站(南京弘毅KT469-F)将RS485总线数据转为TCP/IP协议通过工业环网交换机，上送至地面风机远控系统平台。

(3)通信基站技术参数。电源参数：额定工作电压为DC12 V本安电源，工作电流为400 mA。 主要技术参数：通过无线方式接收数据，并通过有线方式将数据转发 。通信方式： 百兆以太网光口为FC单模单纤；波长为1 310 nm；最大传输距离为20 km。 百兆以太网电接口为RJ45；速率为2路10 M/100 M自适应；最大通信距离为100 m。 与网关之间无线传输、调制方式为470 MHz LORA无线通信；传输距离为300 m。

3 结论

通常煤矿主通风机监控系统是智能矿山建设里面不可或缺的重要内容。而由于煤矿局部通风并不在智能矿山建设范围内，而且布局分散，环境恶劣，移动频繁，通常还没有纳入到智能矿山的监控系统里，这给煤矿安全生产带来了安全隐患。在智能矿山环境下，对局部通风机通风系统进行自动化改造，使用地面远程送电，减少了掘进工作面迎头有毒有害气体聚集的风险、降低了因停风造成的安全隐患。局部通风机风机监控系统不采用通常PLC控制方式，降低了成本。系统实现中充分利用智能矿山实现了物与物相联的特性。系统改造工作量小、经济、快速。实践证明，智能矿山的概念增加了矿山分散控制系统改造的灵活性。