无人值守矿井主通风机技术的应用与分析

王瑞雄

（西山煤电杜儿坪煤矿，山西 太原 030022）

主通风机被称为矿井肺腑，通过制造流动的空气向矿井输送新鲜空气，并将井下粉尘、瓦斯等有毒有害气体向地面排放，是煤矿井上井下空气流通的动力来源。为了保障主通风机的正常运行，通常在机房留有值班人员，观察主通风机的运行状态、实现现场操作和处理紧急事件等。为了执行国家提出的建设智慧矿山和少人无人矿山的相关文件，实现矿井通风机机房无人值守，杜儿坪煤矿引进应用了一套无人值守矿井主通风机监控系统[1-5]。

1 系统结构

通风机无人值守系统是基于 “分散控制”和“集中信息管理”的三层结构，如图1 所示。现场测量与控制层通过屏蔽电缆与中央管理层连接，中央管理层通过光纤与远程监控层连接。

1.1 现场测量与控制层

设备包括风速风压传感器等各类型传感器、智能巡检仪、PLC、摄像头等。这些设备对开关柜、通风机、励磁柜的参数和状态进行采集。控制设备在中央管理层和远程监控层的指令作用下，完成对风机和风门的控制。如通过电磁阀调节风门开度、备用风机倒机等。

1.2 中央管理层

由工业计算机、数据采集与通信装置和UPS电源组成。数据采集与通信装置通过RS485 与测量和控制层的PLC 相连，通过MODBUS 协议接收数据，并在显示屏上显示。开关柜上的综合保护装置留有RS485 接口，可以将开关的状态、电流、电压等信息上传至数据采集与通信装置。

1.3 远程监控层

由监控计算机和视频监控主机组成，这些主机通过光纤与中央管理层连接，工作人员无需前往现场即可了解主通风机运行的全部信息。工作人员在中央控制室的视频监控主机上查看通风机机房视频和声音，在远程控制时了解设备的实时状态，实现通风机房完全封闭。

2 系统功能

上位机系统的功能为显示下位机上传的各项风机运行参数，在中央控制室遥控通风机的启停、风门的启停，在风速、风压、环境温度、电机绕组温度等参数达到设定值时发出报警信号，提醒工作人员处理。

除上述基本功能外，在上位机上还能调取历史数据，打印数据报表等。

3 工作原理

通风机无人值守系统结构如图2 所示，分为监控系统和视频系统，监控系统以数据采集与通信装置为核心，温湿度传感器、烟雾传感器和风量传感器将现场数据传输至模拟量输入模块，一方面，通信装置将这些数据发送给24 口交换机，控制台监控主机通过交换机获取现场数据； 另一方面，交换机通过光纤收发器将这些电信号转化为光信号，通过光纤发送至机电队监控室的光纤收发器，再转送给监控主机。视频系统的结构相对简单，各路高清摄像头直接接入交换机，类似监控系统，也通过光纤传送至机电队监控室的视频主机，在显示器上显示出来。机电队监控室和地面主通风机房分别放置的两台上位机均为工业级计算机，该计算机使用MCGS 软件进行组态，将现场传送的数据显示在屏幕上，并存储在硬盘上，根据需要还可以进行相应的数据处理，在超过限值时还能发出警报。

图2 风门开度控制程序流程

图3 风机倒机程序流程

4 程序控制

无人值守方案是用提前编辑的固定程序来处理矿井主通风机运行过程中的所有事件，内容包括正常运行时各传感器采集的风量、风速、温度等参数的正常范围，运行主风机故障时倒机控制程序，风门开度闭环控制程序，电机软启动程序等。

4.1 风门闭环控制程序

从风门的机械结构来说，其开启和关闭的动作不是瞬时间完成的，需要短时间的传动，从主通风机转速到达指定转速到井下风速达到相应风速也需要一定的时间。因此风门采用滞后的闭环控制。在启动通风机前，将风门打开一定的高度，以此确保启动时的负载不是最大，电机启动完成后，在一段延时后再检测风量和风速，根据此时风量和风速的平均值决定风门的开闭，如此反复进行调节，直到风量达到要求。

4.2 运行主通风机故障时倒机的控制程序

故障前1#主通风机正常运行，2#主通风机作为备用。在1#主通风机出现故障且通风机房无人值守的情况下，故障倒机程序应能够自动完成1#主通风机停车，2#号备用通风机投入运行的操作，相应地如果2#主通风机在运行时故障，程序也能完成所对应的倒机操作。PLC 接收到1#通风机故障停车信号后，对所有高低压断路器状态进行检查，检查顺序依次为：高压进线、高压控制低变、高压换向柜、低压进线、风门接触器、UPS 电源，保证2#通风机供电正常。检查供电电源正常后，发出关闭1#风门的动作指令，并且检测1#风门的开闭状态，当1#风门关闭后，发出打开2#风门的动作指令，提升2#风门数秒之后启动2#通风机，通风机启动1 分钟后采集风量风速，读取一组数据后求取平均值，与满足安全要求的设定值进行比较，如果不满足要求，则继续提升2#风门，如果满足要求，就清除故障信息，等待接收下一次故障信息。

5 应用效果

主通风机无人值守系统应用于实际后，取得了明显的经济效益。一是减少了主通风机的电能消耗，主扇风机的转速能实现无级调速，根据现场井下温度、湿度、风速、风量等信息选择最佳转速，在井下环境和电能消耗之间找到了平衡； 在进行倒机操作时，可以实现电机软起动，避免产生冲击电流； 相较于额定转速模式，变频调速运行模式下，主通风机可节约电能一半左右。二是主通风机房无需人员值守，系统可自动根据检测数据自动调节风门和风机转速，确保井下环境符合安全要求，特殊情况下工作人员在机电队监控室即可完成观察和控制。

表1 无人值守系统改造前后经济效益对比

6 结语

目前国家对矿山行业提出智慧化和无人化的发展要求，煤矿井下、地面等多个工作场景都在执行少人甚至无人的工作模式。杜儿坪煤矿对矿井主通风机无人值守系统进行了设计和分析，经实际应用后，取得了良好经济效益和技术效益。