煤矿井下局扇集中智能化监控研究

张 伟,常轩铭,常奇惠

(1.潞安环能股份有限公司 王庄煤矿,山西 长治 046031;2.中国矿业大学 资源与地球科学学院,江苏 徐州 221000;3.山西潞安安太机械有限责任公司 采掘所,山西 长治 046000)

煤矿生产过程中,通风系统必不可少。《煤矿安全规程》规定,煤矿主通风机在发生故障不能正常运行时,必须在10 min内启动备用风机投入正常运行,完成风机切换工作,否则将以重大事故论处。通风系统关系到井下工人和设备的安全,局部通风是矿井通风系统不可缺少的组成部分,局部通风机是煤矿局部通风的关键设备,通过矿用隔爆式通风机将巷道的新鲜风流送到掘进工作面,降低有害气体的体积分数和煤尘质量浓度,保证作业人员能呼吸到新鲜空气,确保掘进工作面的正常作业。现阶段,局部通风机实现了故障自动切换风机、风电闭锁和瓦斯电闭锁功能。但是,对井下多个掘进工作面的局部通风机的运行状态、供电设备和控制设备的运行状况、设备的环境状况等还不能全面监控、集中监控和远程监控。论文对如何实现集中智能化控制进行了探讨。

1 智能监控的研究思路

为每个盘区的掘进工作面局部通风机配置1套监控装置,包括隔爆型数据监控箱、视频监控摄像仪、声光语音报警等设备,完成对局部通风机工作状态,瓦斯体积分数和风速、设备、巷道环境状态视频信息的采集。数据信息和视频信息通过交换机与井下集中监控中心对接,实现信息上传与组网。在井下建立1个集中监控中心,配置隔爆兼本安型交换机、隔爆型计算机,接入工业环网接收各掘进工作面采集的数据信息、视频信息、环境状态信息,经过分析、处理、记录、存储后发出相应的指令,并在信息出现异常时发出声光警报。数据信息和视频信息通过交换机和工业环网连接,传输到地面调度中心。地面调度中心配置上位工控机、网组态软件、大屏幕显示屏,井下集中监控中心上传的信息经过分析处理后,通过大屏显示系统完整地显示掘进工作面的各类参数,实时掌握各掘进工作面局部通风机、供电系统控制设备的工作状态和运行情况,为统一调度和远程指挥提供第一手资料,根据信息的状况做出相应的判断,实现远程智能控制。局部通风机集中智能监控装置示意如图1所示。

图1 局部通风机集中智能监控装置示意

1.1 盘区掘进工作面的监控装置

1) 1台ZPS127-K隔爆型数据监控箱额定电源电压为AC127 V,工作电流为AC500 mA.主要指标:①开关量输入信号:48路;模拟量输入信号:8路。②开关量输出信号:32路;数据通信信号:1路;以太网。③配置8串口服务器,实现RS485、MODBUS串口通信;配置以太网交换机。TCP/IP路数:8路。④PLC可编程控制器。

数据监控箱:通过ICP/IP协议内部交换机接口采集盘区掘进工作面局部通风机的供电移动变电站、控制组合开关、巷道环境状态的两路视频信息;数据监控箱配置的8路串口服务器通过RS485串口通信采集移动变电站高压侧和低压侧的电压、电流状态和温度等数据信息;数据监控箱通过MODBUS协议采集局部通风机控制组合开关的运行参数和工作状态信息,并通过PLC可编程控制器输出点,实现对组合开关的启、停控制。数据监控箱通过模拟量输入接口,采集掘进巷道内瓦斯体积分数和风速信息(由瓦斯、风速传感器获取);数据监控箱通过内部交换机与井下集中监控中心的隔爆兼本安型交换机对接,实现数据信息的上传和组网。

2) 两台KBA-127矿用防爆型摄像仪,额定电源电压为AC127 V,工作电流≤AC500 mA.主要技术指标:①最低照度:0.011LX,分辨率:130万像素,灰度等级≥7级;②接口类型:RJ-45;③传输速率:10/100 Mbps;最大传输距离:100 m;④本安参数、网口:Uo:5 V,Io:10 mA,Co:1 UF,Lo:1 mH.

两台矿用防爆摄像仪实时采集掘进工作面局部通风机供电移动变电站信息,控制组合开关的环境状态,掘进巷道的环境状态,通过隔爆计算机对录像画面实时调阅,实现对盘区状态远程监控。采集的视频信息通过盘区数据监控箱内部交换机传输到井下集中监控中心的交换机。

3) 瓦斯、风速监测传感器的台数根据实际情况而定。瓦斯浓度监测传感器实时监测掘进巷道、局扇风机周边的瓦斯体积分数状况;风速传感器实时监测掘进工作面的风流速度。实测的瓦斯体积分数和风速信息传输到盘区数据监控箱,通过内部交换机传输到井下集中监控中心。

4) 矿用防爆语言声光报警装置,供电电压为AC127 V,最大工作电流≤90 mA;语音信号:可编辑;控制信号:无源常开接供电设备,控制设备出现故障,当掘进巷道瓦斯体积分数超限或风速异常时,通过声光报警装置警示。

1.2 井下集中监控中心装置

每个盘区掘进工作面的局部通风机供电设备,控制组合开关,掘进巷道瓦斯、风速的数据状态信息,视频信息,经过盘区数据监控箱,通过以太网传输到集中监控中心。

1) 1台IKJD127矿用隔爆兼本安型计算机,工作电压为AC85～265 V,工作电流≤1 A.①主机配置:操作系统XP WINT LINUX;CPU INTEL CORE IT 1.6 GHz;内存4 GB;硬盘128 G固态硬盘。②接口功能:RS485 2路;以太网口:2路;USB接口:4路;CAN总线接口:1路;音频信号:1路。

计算机完成的功能:①各盘区掘进工作面局部通风机组态画面的建立。通过组态画面,实时查阅各台局部通风机的运行状态,移动变电站高、低压侧的参数,控制组合开关的参数,通过该软件系统下达局部通风机的启、停指令和倒风机指令。②实时调阅各盘区掘进巷道的瓦斯体积分数和风速信息的集成。③数据存储与视频存储,数据的记录和分析处理;记录基础信息、操作信息、合闸次数和故障信息,并能根据这些信息提示设备状态和提前预警。④组态画面集成报警信息,在设备出现故障时或环境状态异常时,计算机界面弹出报警信息,并通过声光报警装置进行警报。

2) 1台矿用隔爆兼本安型交换机。交换机与每个掘进工作面的数据监控箱内部交换机通过以太网对接,接收每个掘进工作面设备运行参数、掘进巷道环境状态、视频信息,通过工业环网将分析处理的数据、视频信息、状态信息上传到地面调度中心。

1.3 地面调度中心装置

配置上位工控机与组态软件,实现与井下集中监控中心的隔爆计算机的所有功能。配置大屏幕显示系统,完整地显示各盘区掘进工作面的数据、视频、状态、参数等信息,并可以在授权状态下远程集控风机启、停,倒换风机。正常状态下,局扇系统自动运行,只监不控;当发生异常情况时,实现对局部通风机的远程操控。

2 局扇集中智能化监控工作流程

每个盘区配置的隔爆型数据监控箱采集的掘进工作面移动变电站高、低压侧的电压,电流和温度数据,摄像仪拍摄的掘进巷道设备的环境状态视频信息,瓦斯体积分数和风速信息,通过以太网上传到井下集中监控中心,通过配置的隔爆计算机对数据、视频等信息进行分析处理、记录存储,并由交换机通过工业环网上传到地面调度中心。

在局部通风机供电设备、控制设备、环境状态均正常时,智能监控系统只监不控。

在数据、视频信息、状态信息经分析后出现异常时,井下集中监控中心的隔爆型计算机和地面调度中心的上位工控机、组态软件,通过计算分析准确判断是哪个盘区的哪台设备,或哪条掘进巷道环境状态有异常情况,井下集中监控中心的隔爆计算机组态画面集成报警信息,通过以太网将报警信号传输到报警装置,井下集中监控中心和有故障的盘区会同时发出声光告警。

地面调度中心的上位工控机与组态软件通过对数据、视频、状态等信息的分析处理,在异常情况时,发出相应的故障设备停止运行指令或倒换局部通风机指令,通过工业环网传输到井下集中监控中心的数据监控箱,由内置的PLC编程控制器执行相应的指令,进行程序控制。指令执行后,警报解除,故障设备由维护人员进行处理。局扇智能化监控工作流程见图2.

图2 局扇集中智能化监控工作流程示意

3 结 语

煤矿井下局扇集中智能化监控,在地面调度中心实现了远程启、停,切换局部通风机,以及对局扇供电设备、控制组合开关、设备环境、掘进巷道状态的集中监控。在数据、状态信息、视频信息出现异常时,发出故障告警,同时对故障设备实施停机、倒换风机等远程控制,实现局部通风机无人值守,为局扇安全运行提供了技术保障,为煤矿企业创造了一定的安全效益和经济效益。