地下铁矿通风系统设计优化与改造

解利俊 王思潮 徐天伟

摘  要：针对石人沟铁矿井下生产延伸导致的通风系统不能满足通风质量要求、未实现三级通风系统的远程集中控制和监测监控系统电控未联网等问题，本文做了风机站布局调整、通风机站远程集控改造、监测监控系统优化等方面的系列研究，取得通风系统覆盖至井下生产最低中段-210m水平、在地表调度室集中监测与控制风机启停和监测监控系统电控联入工业以太网的效果。

关键词：通风；监测监控；集中控制；自动化

石人沟铁矿三期工程井下采矿采用两翼对角抽出式的通风系统，三级机站通风模式，利用三期副井、斜坡道作为进风通道，南回风井、北回风井作为回风通道。Ⅰ级风站在-180m水平7号、8号、9号、10号、11号天井联络道处各设一台通风机，通风机型号为K40-8-NO.14型；Ⅱ级机站设在-60m水平南、北回风井联络道，南二级风机站安装K40-8-NO.23型通风机1台，北二级风机站安装K40-8-NO.22型通风机2台；Ⅲ级机站设在南、北回风井井口，南风井采用DK45-6-NO.19型通风机4台；北风井采用DK45-6-NO.20型通风机4台。

1.研究背景

随着生产过渡期采矿工程的延伸，井下新增-210 m中段作为-180 m中段的生产延续，原通风系统不能满足延伸生产需要，必须对现有通风系统进行优化。

三级通风机站风机不能实现远程集中控制启停及状态监测。主要原因是一级风站风机均为现场启动柜采用直接启动，无法实现远程控制启停与监测。其中二级、三级通风机控制柜前期已进行了PLC控制改造，已具备远程控制启停功能[1]。

通风监测监控系统落后。现场监测监控设备为独立系统，仅能采集风速，风压传感器采用频率输出信号，矿山网络控制中心不能对电气控制部分的数据进行读取监测。调度室监测后台软件陈旧，仅为图表显示，人机界面可视化水平低，调度人员不能直观观测到数据异常情况。现场有毒有害气体监测不完善，不能满足井下环境监测的需要。

2.通风系统的设计与改造方案

2.1 风机布局调整情况

Ⅰ级风站在-180m水平7号、9号、10号、15号天井联络道处各设一台通风机，其中7号、9号天井联络道通风机型号为K40-8-NO.14型，10号、15号天井联络道通风机型号为FK NO.14型通风机，在-195m水平和-210m水平13号天井联络道处各设一台通风机，-195m水平通风机型号为K40-6-NO.9型，-210m水平通风机型号为FK NO.14型；Ⅱ级机站设在南、北回风井联络道，南风井采用K40-8-NO.23型通风机1台，北风井采用K40-8-NO.22型通风机2台；Ⅲ级机站设在南、北回风井井口，南风井采用DK45-6-NO.19型通风机4台；北风井采用DK45-6-NO.20型通风机4台。

冬季在副井和辅助斜坡道利用空气加热器和防冻一体机对入井空气进行加热，预热到+2℃再送入井下。

-180m至-210m中段开采：-180m中段的新鲜风流经三期副井、斜坡道进入井下区域，其中由三期副井进入的新鲜风流经-180m中段运输巷道、穿脉运输巷道、天井联络道、进风天井进入需风工作面，由斜坡道进入的新鲜风流经斜坡道联络道、沿脉巷道、穿脉巷道进入需风工作面，从两条路径需风工作面返回来的污风经各穿脉回风天井、-60m回风平巷，从地表南、北风井抽出。

-210m中段的新鲜风流由三期副井、斜坡道经进风天井（-180m～-210m）及采区斜坡道进入-210m中段需风工作面。7号、9号天井为进风天井，并在-180m水平天井联络道处安装通风机，利用10号、13号、15号通风天井作为-210m中段的进风天井，并在-180m水平10号、15号通风天井联络道处安装通风机，在-195m水平和-210m水平13号通风天井联络道处安装通风机。

-180m有轨运输中段的新鲜风流由三期副井、斜坡道进入井下区域，通过中段运输巷道、穿脉运输巷道进入需风工作面，返回的污风经回风天井、-60m回风平巷，从地表南、北风井抽出。变更后生产过渡期通风系统示意图如图1，变更后Ⅰ级机站风机配置情况见表1。

2.2  通风机站远程集中控制改造

使用西门子S7-200 系列PLC和数字量、模拟量模块对风机运行开停状态、电流、电压、电机温度、振动等参量进行采集与监测，并通过上位机遠程集中控制，以实现通风机站远程集中控制。

2.2.1  控制原理

本次改造将表1所示的6台机站启动柜更换为PLC控制启动柜，控制柜内设备主要包括S7-200 SMART PLC模块、AE04模拟量模块、AR04模拟量模块、工业以太网交换机、威纶通触摸屏、24V开关电源等。PLC模块为核心控制单元，用于数据采集与输出控制，通过网线与工业以太网连接，实现数据通讯；AE模拟量扩展模块用于采集风速、风压、有毒有害气体和振动等传感器的4～20MA模拟量信号；AR模拟量扩展模块用于采集前后轴承及绕组的温度信号；威纶通触摸屏用于风机运行状态与监测数据显示和风机启停控制。控制柜原理见图2。

2.2.2  基础通信改造

一般用于工业设备联网的主要方式有RS485总线、CAN总线和工业以太网，传输介质为铜缆和光缆，但使用铜缆进行传输存在以下弊端：一方面，需根据不同的网络类型，使用专用的线缆，不能混用；另一方面，不同的工控设备的接口不尽相同，由于使用铜缆，传输介质不能混用，需要铺设多条铜缆。而光缆与铜缆相比具有容量大、传输带宽更宽、电磁干扰抵抗力强和可兼容性好等优点，可根据建设现场的需求，利用各类光电转换通信设备实现与工业以太网的连通，达到共用一条光缆线路的目的，实现高容量通信和简化布线结构的效果。在此次改造中需要增加12芯光纤2500米，新增交换机及光模块见表2。

2.2.2  通讯协议

通风质量监测系统应该具有Web联网功能，便于上级部门或各级应急管理部门联网和检查时，随时调取实时运行数据。原通风质量监测系统使用独立的、专门的软、硬件解决方案，虽然能解决联网查询功能，但监测系统与电控系统独立运行，不能真实、全面的反映通风系统的运行状况，因此，集控系统与Web服务器之间需要有一套通信协议或接口，本次系统改造使用目前国际主流的物联网通信协议MQTT，是IBM开发的即时通讯协议[2]。目前，主流的软、硬件厂商都对TQTT协议提供了支持，并且已有多个专门用于数据采集服务器的代理系统被广泛应用，本次系统改造使用该协议将集控系统运行数据上传至代理系统服务器，并通过二次开发的Web服务器将采集到的数据进行数据可视化，以便于各个数据的精准调取与深入分析研究。

2.2.3  服务器及系统结构

一级风站、二级风站、三级风站将PLC采集的数据通过以太网上传至带MQTT协议的威纶通HMI，再上传至存储服务器主机上。该平台系统为三层架构模式，即“云端服务器->触摸屏->传感器&控制器”的架构模型。“传感器&控制器”是指可以用来采集、测定数据的如风速、风压传感器或者是可以被控的设备如变频器、启动柜，下位机PLC再采集控制各类设备的数字量、模拟量或RS485信号；“触摸屏”是上位机，其通过网线与PLC设备和交换机进行通讯，用途是将PLC设备采集测定的数据发送到云端服务器或通过人机界面将需要控制的操作或数据返回给PLC设备；“云端服务器”包括网络管理服务器、虚拟化管理服务器、存储服务器，服务器上部署数据库，用户可以在部署的工业以太网内通过客户端（电脑）以浏览器的形式访问数据库，并以此为基础实现与监测监控系统后台数据调用与监测显示[3]。监测监控系统包括显示所有监测数据、实时报警、历史数据查询、报表、曲线、打印等。

2.3  可视化平台系统

系统采用B/S架构模式设计，系统的设计是基于数据传输之上的，软件开发采用B/S架构。办公室人员通过浏览器登陆系统完成监测数据、实时报警、历史数据查询、报表、曲线、打印等操作。

2.3.1  软件功能

（1）软件支持MQTT协议，通过光纤网络方式同现场终端通信。

（2）支持浏览器登录网络访问系统。

（3）系统支持定时主动上报+ 事件告警主动上报+ 定时问询 + 即时召测。

（4）软件模块化设计，主要包括系统信息、测点信息、在线监测、历史记录、报表分析、日志管理等功能。

2.3.2  视频监控系统

在井下一、二级风机站和地表三级风机站的配电室及主要通道处设置视频监控系统。硬件设备包括海康威视的硬盘录像机及摄像头、希捷硬盘、交换机和显示器，机站现场安装摄像头和交换机，摄像头通过网线与交换机连接，调度室内搭配带硬盘的硬盘录像机、交换机和显示器，硬盘录像机分别与交换机和显示器通讯连接，硬盘容量依据搭载摄像头数量和像素进行选型，保障存储时间高于1个月，以实现对风机设备运行状况和周边环境视频资料的实时监控与历史回放，便于制定应对措施[4]。

2.3.3  现场传感器情况

对通风系统传感器进行优化升级，将原独立的通风质量监测系统改造为接受传感器输出4-20mA电流信号的开放式系统平台，接入到风机运行电气控制中。使用超声波旋涡式风速传感器替代原系统的皮托管风速传感器，有效降低污风中粉尘和水汽对传感器的影响，降低维护工作量，提高传感器的使用寿命，选用26PC系列硅压力传感器提高介质的测量兼容性；有毒有害气体传感器方面，在-180m、-195m和-210m水平生产中段的13#穿进风巷和14#穿回风巷靠近采场位置增设NO2和CO传感器。在-180m水平避灾硐室增加CO、CO2、O2、温度、湿度和大气压检测报警装置[5]。

3.改造后的效果

经过对井下通风系统的一系列改造，优化了一级风机站的布置位置及数量，确保了井下通风质量，满足了生产安全需要；完成对通风系统风机的远程集中控制改造，实现机站现场的无人值守，可减少岗位值守人员16名；对通风监测监控系统进行升级，加入了电控部分，优化了风速、风压传感器，新增了有毒有害气体传感器，监测监控系统满足联网要求，同时将井下通风系统状况动态的显示在监控主画面上，实时顯示风速、风压、风量、风机开停等状态数据，提高了可视化水平。在石人沟铁矿调度室内就可以完成一、二、三级风机站统筹管控，同时，整合通风质量监测和运行控制两个系统后，实时对运行数据进行监测记录，当设备发生异常时候，能第一时间做出反映并制定切实可行的检修方案，延长了设备使用寿命，降低了通风质量监测系统的维护工作量。总之，本改造的实施具有良好的经济和社会效益。

4.结语

石人沟铁矿通风系统的优化设计与改造的成功，推动了矿山科技化转型发展，走出了一条科技强企的发展之路，同时为该行业的技术创新积累了经验，起到了示范作用。

参考文献：

[1] 温占国，郭子林，解利俊等。关于石人沟铁矿井下通风设备的优化改造[J].矿业工程，2018，16（04）：41-42.

[2] 侯晓磊。井下通风系统自动化应用研究[J]. 能源与节能，2018（4）：156-157，167.

[3]黄坚，徐巍，姚宗旭等。金属矿山智能通风理论与技术[J].有色设备，2021，35（05）：89-93.

[4]翟立朋。石人沟铁矿无人值守技术应用研究[J].内蒙古煤炭经济，2022，（08）：124-126.

[5]李敬儒，严旭。基于远程控制的井下通风系统研究[J].设备管理与维修，2023，（17）：3-5.

作者单位：河钢集团矿业有限公司石人沟铁矿