无人值守控制系统在煤矿通风机中的应用分析

刘旭东

(国家能源集团新疆能源公司 乌东煤矿，新疆 乌鲁木齐 830000)

长期以来，煤炭安全开采一直是采矿行业的首要问题，尤其是井工煤矿开采时候的通风问题。地下矿山事故可能导致人员严重受伤，甚至是死亡，还会造成机械和设备灾难性故障以及生产计划的延迟。煤矿企业广泛使用的通风机不仅可以向井下提供足够的新鲜空气，保证矿工的生存，而且可以排除灰尘和污浊空气。通常会派专门技术人员保障通风机的运行，但是容易出现人工差错。因此，通风机的无人值守监测和预警技术的研究受到越来越多的关注[1]。国内煤炭开采领域对通风机监测、预警、数据处理和故障诊断进行了大量的研究和应用，尽管许多煤矿已经建立了信息管理和安全生产监控系统，但这些系统的功能仅限于煤矿通风机布置地图的显示和查询，这将导致通风机空间数据处理和显示现实模型的表现能力不足。通风机的动态环境监测过程产生了大量的信息和隐含的知识模式，这就需要一个数据库管理系统。通过该系统才能完全的实现通风机无人值守的监测，为矿井无人值守技术的应用提供依据。

1 矿井通风机工程应用概述

1.1 应用背景

煤矿井下环境恶劣，必须提供优质空气供人员呼吸，稀释矿井内部，稀释或带走灰尘，并为人员和机器提供冷却的环境。虽然少量的空气可以进入矿井，但这是不够的，也是不受自然环境的控制，因此必须安装必要安装通风设备。

为此，目前的通风机之间至少需要2个连接，其中一个连接了大型风扇。这些主要是排气扇，将空气从地面通过其他连接装置吸入矿井，通过巷道进入正在进行采矿作业的地方，并通过排气扇返回地面。一些矿井确实使用了进气口或压入式风扇，排气洞被安装到井口处。地下巷道分为两组，将新鲜空气送入的巷道(“进气道”)和废弃气带出去的通道(“回气道”)[2]。相邻的进气道和回气道通常有煤柱或安装分隔门，以防止开采工作面之间的新鲜空气和污染空气互通，如图1所示。但是会预留孔洞，以便在需要时允许设备或人员通过。在必须穿越空气通道的地方，移除一部分屋顶或地板，并建造一条人工隧道，将返回空气运送到进气口上方或下方。

图1 通风机系统简要布置示意Fig.1 Schematic diagram of brief layout of ventilator system

1.2 通风技术要求

由于矿井风机连续运行，并且需要相当大的功率才能运行，因此通风效率是一个重要的考虑因素，风机规格和通风回路维护成为重要的成本考虑因素。在通风回路之前的工作面巷道，需要采取其他措施使空气能够顺利的沿着工作面驱动。这些措施包括使用柔性气密材料制成通风管，在前进的道路中形成通风回路，或者通过使用通风管道结合相对较小的风扇(如“辅助风扇”)使空气流入前进的工作面[3]。需要监控矿井通风状况，以确保空气量保持一致，并且排放的气体水平保持在安全阈值水平以下。监测既可以手动进行，但是可靠性不足，应当使用数据化集成的监测器进行监控，这些监测器应当实现远程控制，通常依靠矿井外部的指示操作平台来实现。

1.3 通风机运行原理分析

目前煤矿大多数采用轴流式通风机，其主要结构由主动轮、旋转叶片、机壳、集风器、整流器、流线体、 扩散器等所组成[4]。根据矿井不同工序阶段的通风要求，将不断的调整叶片的安装角度，一般分为6种安装角度，分别为15°、25°、30°、35°、40°、45°[4]。采用等距的安装方式保证每个叶片之间的间距长度一致，旋转时产生恒定的压力，不会由于间距不同而产生负压。

2 无人值守监测系统设计

2.1 系统组成设计

通风机无人值守监测报警系统由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统包括数据采集模块、网络模块和一些工作站[5]。软件系统包括所有的软件平台作为监控模块，警告和数据处理模块和故障排除模块。整个系统框架如图2所示。

图2 无人值守监测系统组成示意Fig.2 Schematic diagram of unattended monitoring system composition

数据采集模块由嵌入式计算机、一些站内设备和传感器组成。它被设置用来监控参数和从现场发送到工作站的信号。采用嵌入式计算机作为核心，传感器设置在现场，以监测不同位置通风机运行状态指标。这个模块可以通过工业交换机实现远程监控数据的传输。

工作站包括一些现场监控主机，可以提供全面的分析。它通过人机界面来完成交互功能。主机网络模块包括服务器、所有电缆和数据传输设备。信息可以通过网络接口技术在线共享。这样就可以提前预警、分析和诊断异常情况[6]。

基于Kingview开发的监测和预警软件平台是为了从现场设备到工作站收集各种数据而设计的。这一部分也是为了模拟通风机的工作状态和显示曲线参数而开发的。设计了基于Delphi编程语言的数据处理软件和故障排除软件应用程序，用于对风机运行故障进行监测和报警，并且可以在监测和警报系统中直接触发[7]。

2.2 子系统组成设计

整个系统由3个子系统组成：综合实时数据采集系统，本地计算机系统和远程网络监控系统。

2.2.1 综合实时数据采集子系统。

集成实时数据采集子系统包含2个功能：数据采集和数据处理。

2.2.1.1 数据收集

不同类型的采集模块收集不同的参数：电气参数的采集工作采用电源集成数据采集模块完成。它基于改变电流互感器的比率系数。通过对通风机启动、工作、停机过程中出现的电压、电流、功率因数、误差前3个周期波形变化、有功功率和无功功率等参数进行采集和处理[8]。

温度参数的收集是由一线热电偶温度测量产品完成的。电机轴温、定子温度和表面冷却温度的参数可以被收集。机器操作参数采集由振动传感器和速度传感器完成。这包括两个传感器正交安装在电机轴承附近，一个传感器安装轴向和其他支持组件。在这些条件下，电机的正交振动、轴向振动和电机转速的参数可以被收集，环境参数的收集是通过集成传感器来监测温度和湿度。这包括通过红外线和视频传感器监测设备的重要部分。通风负压参数采集由扩散硅半导体压力传感器完成，风量参数采集由机械风量传感器完成。

2.2.1.2 数据处理

现场布置的监控主机将主要对参数进行处理，收集到的数据分为3类进行处理[9]。

(1)慢速变化。这些类型的数据包括温度、振幅、湿度、电机电压、电流、有功功率和无功功率、风机稳态气压等。该子系统可以在软件模型中自动保存各种重要的实时数据。数据可以分别存储为历史实时数据和现场数据。历史数据可以保留数月或更长时间，以便进行长期观察。现场数据的保留时间较短，可以设置为几分钟或几小时。

(2)快速变化。这些类型的数据包括由电压事件记录器记录的变化的电压和电流。当特定事件发生时，它可以保存电流周期中的重要参数。此外，高速采集卡可以用来记录波形，特别是在电机短路、过载、断电、机械或电气异常等情况下。这些数据可以被重复记录并快速存储。

(3)高速波形。这些数据存储在特殊情况下，子系统以非常高的速度记录电气或机械参数。这些数据存储在采集设备中，并通过计算机传输。它也用于波形或高速信号数据分析。

2.2.2 本地计算机子系统

该子系统由Kingview平台下开发的软件组成。它包含了数据分析和回顾、现场数据分析、故障预警等功能[10]。

(1)数据分析和审查。根据数据变化幅度和时间间隔两种模式的规律，可以对参数进行保存、分析和历史数据提取。①数据变化幅度。数据变化幅度超过预先设定的速率可以自动保存，从而可以使用更多的存储空间。②时间间隔。由于数据变化范围较短，子系统连续记录数据。它可以保证数据的连续性和完整性。实时数据或历史数据可以在存储时间内以报告、曲线、特定查询表的形式重现。

(2)现场数据分析。现场数据分析是通过专业的数据处理软件实现的，可进行历史数据比较、预警数据观察与分析、多参数数据比较。Field数据分析子系统正在使用动态数据对通风机机运行情况进行趋势和定量分析。该子系统包括高速波形分析，它在同步触发模式下工作，它还可以分析电机工作过程中相关干扰影响的综合因素。

(3)失败警告。故障警告集中在特殊事件的分析上，发生在电参数相对较快的变化上。它主要记录事故电源发生时的重要参数。在正常情况下，它采取了通风机振动信号的频谱分析和电机旋转的波形分析。通风机的早期故障预警和电气故障是基于常见典型故障的频率特征。单一指标根据实际经验范围的阈值设置上限和下限警报值，主要通过软件实现。集成指标可以用来生成各种数据和警告行动条件的记录[11]。计算机也可以发送设备控制的命令，同时触发高速信号采集卡并开始工作，尤其风机电压出现故障时的报警严重影响通风效果，其报警程序设计如图3所示。

图3 风机电压报警程序设计示意Fig.3 Schematic diagram of fan voltage alarm program design

2.2.3 远程网络监控子系统

该子系统主要用于通过互联网观察和记录现场数据，并且设计了通过实时短信的方式发送警告信息，如图4所示。这种方式一方面便于软件维护和程序更新以满足用户的需求，另一方面可以采用更先进的预测方法处理通风机监测的原始数据，改进系统，建立不同情况下的各种参数数据库，并利用先进的实验室手段进行技术工作。

图4 短信发送模块设计流程示意Fig.4 Schematic diagram of design process of SMS sending module

3 无人值守通风机应用工况分析

3.1 监测系统应用工况简介

研究对象的煤矿主井直径为3 m，假设有足够设备、工人和提取的材料安装于矿井，而通风井直径为1.07 m，主要用于容纳将用于向矿井输送通风的人工风机。4个增压风机用于将空气再循环到每个工作面，使用直径为1.07 m的柔性导管供应足够的空气。面板高2.6 m、宽7.0 m、长32.0 m，安全系数为1.6，这是根据国家标准设定的地下矿山安全采矿作业的标准，如图5所示。

图5 矿井通风系统三维模拟Fig.5 Three-dimensional simulation of mine ventilation system

该系统需要供应145 m3/s的空气，主通风机压力为2.73 kPa，以对矿井进行通风，传送带应安装在180°的位置，并平行于地面。当新鲜空气通过进气道进入系统到达地面时，它会沿着进气道通过增压风机流向工作区，在工作区，大部分污染物可能会添加到空气中，如灰尘和许多其他危险有毒或易燃气体、热量、湿度和辐射。被污染的空气沿着返回气道返回，最终返回矿井外。

3.2 通风系统设计

通风系统的设计值和由此产生的煤矿工程性质被用于设计通风系统的完整布局，是设计无人值守系统各组件布置规模的关键。其中非常关注通风井直径、管道直径、开口巷道长度、面板尺寸、工人数量、柴油设备、有毒气体和目标生产。设计表明，所有的气道类型都是光滑管道，即模型支柱保持固定的长度，而像矿柱宽度这样的参数是变化的，所有设计参数均按照1.6倍的安全系数考虑，这是任何地下矿山安全采矿作业所需的标准。通风系统中安装了6台风机，1台主风机，1台排风风机，其余4台为增压风机，风量和开口长度各不相同，基本确定了设计所需的矿井气流分布符合标准要求，矿井气流分布和设计参数见表1。

4 无人值守系统调试与应用分析

4.1 上位机的调试

具体的操作流程如下。

(1)要确保系统各部分设备通电且正常运行。

(2)启动电脑桌面上的 MCGS 软件，如果“通讯指示”灯和“启动连锁”灯变绿就表示符合风机启动的条件，然后检测画面上的实时数据是否满足风机的运行条件，各个指标的上下限值是否符合要求。

(3)对各参数确定正常后，监控界面上有关于1号风机和 2号风机的启停按钮、风门的开闭按钮以及油泵的启停按钮。如需要打开风门是风机运行，工作人员可以直接点击监控界面上的按钮即可完成相应操作。注意：由于这是远程控制，要完成此操作，需要工作人员将各按钮拨到远程控制的时候才起作用。

(4)大部分的实时数据都可以在监控界面上显示出来。

表1 煤矿井下通风系统的矿井气流分布和设计参数Tab.1 Mine airflow distribution and design parameters of underground ventilation system in coal mine

4.2 系统应用控制流程

在本矿井通风机的自动控制系统中，有一台为工作风机，而另一台为备用风机。如果工作风机因故障而导致停机时，备用电机能够启动，保证了生产的正常运行。而传统的备用机切换都是需要人工来进行切换的。然而，在这种传统的工作控制方式下，只有在工作风机因故障停止运行时，才启动备用风机进行运转。那么这个时候，就会出现一台风机使用频繁的问题，通风机的长时间运行就会使得风机设备的机械磨损以及线路老化等不可控因素，在一定程度上大大缩短了通风机的寿命。而不经常使用的备用风机也会因为长时间的停机不使用，导致风机设备的生锈、电气故障等问题，同时也会使得风机的寿命大大缩短。

为了解决以上的问题，就必须使双风机的工作时间进行均衡，提高它们的利用效率。在此可以使双风机进行自动工作，通过对时间的设定，可以保证两台风机的均衡工作，使得它们互为备用。这样就可以减少两台风机因工作不均衡而导致的寿命减少。具体控制流程如图6所示。通过系统自动化的转换控制，防止人工操作可能出现的差错，满足了矿井通风机的工程应用需要。

图6 风机倒换流程示意Fig.6 Schematic diagram of fan switching process

5 结语

针对煤矿通风机日常的运行状况，本文设计了以嵌入式计算机为核心的通风机监测和预警系统。实现了对通风机运行关键参数的实时监控。它还可以及早发现常见故障，为通风机的可靠运行提供强有力的技术支持，实现了无人值守通风机的目的。整体系统基于Delphi程序语言，开发了控制系统软件，对通风系统中的主要通风机进行监测和故障预警。

现场应用表明，该系统具有成本低，适用性强和实用性强的优点。研究为提高煤矿通风机的监测和预警水平提供了指导，这也可以应用于其他非煤矿的无人值守系统研发。