孔令軍

【摘 要】眾所周知，煤礦開采的安全性與高效性直接關(guān)乎到我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，同時也關(guān)乎到我國人民群眾的生活質(zhì)量及生命財產(chǎn)安全。然而，煤礦通風(fēng)系統(tǒng)作為保障煤礦安全且高效開采的重要屏障，卻多采用人工方式進(jìn)行維護(hù)?？梢?，煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的維護(hù)方式亟待改善。為此，本文就煤礦通風(fēng)領(lǐng)域自動化技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行研究，以增強我國煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的安全性能及降低此系統(tǒng)的維護(hù)成本。

【關(guān)鍵詞】煤礦通風(fēng)；通風(fēng)自動化；變頻自動化；DCS技術(shù)

1 煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的重要作用

隨著我國工業(yè)化經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，礦產(chǎn)資源的供求矛盾便日漸凸顯出來。盡管我國煤礦儲藏量相當(dāng)豐富，但因煤礦消耗量異常大，因此煤礦資源的供求矛盾尤其突出。與此同時，據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，我國時常發(fā)生煤礦瓦斯爆炸事故，如此致使煤礦企業(yè)面臨嚴(yán)重的生存危機，且也給人民群眾的生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重影響。由此可見，確保煤礦生產(chǎn)的安全性非常必要。另據(jù)調(diào)查結(jié)果表明，煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的運行效果與煤礦瓦斯爆炸事故的發(fā)生間存在著直接性的關(guān)系。煤礦通風(fēng)系統(tǒng)作為保障煤礦安全生產(chǎn)的重要屏障，是指借助通風(fēng)系統(tǒng)來排出生產(chǎn)空間內(nèi)高濃度的有毒氣體，同時為生產(chǎn)工人注入外部新鮮的空氣，以達(dá)到稀釋有害氣體及使生產(chǎn)空間的氣體濃度達(dá)到安全值的目的。除此以外，煤礦也往往借助通風(fēng)系統(tǒng)來排出生產(chǎn)空間內(nèi)的熱量及水蒸氣，以提高工人作業(yè)環(huán)境的舒適性。總體而言，煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的合理設(shè)計對有效規(guī)避煤礦瓦斯爆炸事故及煤礦火災(zāi)事故意義重大，同時也對增強煤礦礦井的抗災(zāi)性能至關(guān)重要。然而，煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的高效運行卻始終受到諸多因素的制約，比如自然環(huán)境、人為因素、裝備設(shè)施。眾所周知，煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，因此待煤礦開采深度至限值以后，便會受到瓦斯壓力、低溫及地應(yīng)力的影響，由此加重煤礦自然災(zāi)害的威脅程度，同時瓦斯涌出量會加重煤層與瓦斯間的突出程度，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的瓦斯爆炸事故，當(dāng)然亦有可能引發(fā)煤層自燃及煤塵爆炸事故。我國煤礦企業(yè)從業(yè)人員的綜合素質(zhì)普遍較低，且大多缺乏應(yīng)有的安全意識，外加煤礦企業(yè)普遍存在輕管理重經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)象，因此未把煤礦通風(fēng)工作提升到應(yīng)有的高度。與此同時，煤礦企業(yè)對管理人員的配置過程，往往選用非專業(yè)的人員從事煤礦通風(fēng)安全管理工作，外加對各從業(yè)人員的培訓(xùn)工作未落到實處，如此也對煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的安全運行非常不利。據(jù)調(diào)查結(jié)果表明，我國煤礦礦井防塵設(shè)施極不完善，因此煤塵堆積及飛揚現(xiàn)象普遍存在，如此勢必引發(fā)爆炸事故，此外煤礦礦井監(jiān)控系統(tǒng)不完善，因此監(jiān)測數(shù)據(jù)的誤報現(xiàn)象普遍存在，如此亦對煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)非常不利。

由此可見，實現(xiàn)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的高效運行對保障煤礦安全生產(chǎn)非常必要。為此，本文引入自動化技術(shù)，即淺析煤礦通風(fēng)領(lǐng)域自動化技術(shù)的應(yīng)用，以期從煤礦通風(fēng)自動化角度出發(fā)，改善煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)的現(xiàn)狀。

2 煤礦通風(fēng)領(lǐng)域自動化技術(shù)的應(yīng)用

結(jié)合前文可知，煤礦通風(fēng)系統(tǒng)作為煤礦安全生產(chǎn)的重要屏障，是指借助通風(fēng)系統(tǒng)排出生產(chǎn)空間內(nèi)的有毒氣體，同時注入新鮮的空氣，如此保障煤礦開采的安全性與高效性。近年來，隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，越來越多的煤礦企業(yè)選擇把自動化技術(shù)應(yīng)用到煤礦通風(fēng)領(lǐng)域，即借助操作平臺來實時監(jiān)控煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的運行狀態(tài)，以便及時發(fā)現(xiàn)并處理通風(fēng)系統(tǒng)運行過程出現(xiàn)的故障，如此實現(xiàn)對煤礦通風(fēng)的自動化監(jiān)管，并最終實現(xiàn)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)運行的安全性與穩(wěn)定性。本章節(jié)首先介紹自動化技術(shù)的概念，然后再從煤礦通風(fēng)自動化系統(tǒng)、煤礦通風(fēng)變頻自動化系統(tǒng)、通風(fēng)自動化控制系統(tǒng)三方面，淺析煤礦通風(fēng)領(lǐng)域自動化技術(shù)的應(yīng)用。

2.1 自動化技術(shù)的概念

自動化技術(shù)屬綜合性技術(shù)，即與計算機技術(shù)、系統(tǒng)工程、自動控制、控制論、液壓氣壓技術(shù)、控制論及信息論等學(xué)科間關(guān)系密切，且與計算機技術(shù)、控制理論間的關(guān)系尤其密切。目前，自動化技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出機電一體化、機械功能多元化、控制智能化、結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化且模組化、結(jié)構(gòu)運動高精度化。截至目前，工業(yè)自動化已成為自動化技術(shù)應(yīng)用的重要方向，比如計算機輔助設(shè)計、計算機輔助制造、綜合辦公自動化、人工智能技術(shù)及過程控制與自動化儀器儀表。實踐表明，自動化技術(shù)的應(yīng)用對推動工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展意義重大，比如冶金、石油、化工、輕工業(yè)等行業(yè)，且自動化儀表及集中控制裝置的運用對促進(jìn)連續(xù)生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展至關(guān)重要，進(jìn)而實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)效率的提高?？梢姡旱V通風(fēng)領(lǐng)域自動化技術(shù)的應(yīng)用符合時代發(fā)展的要求，同時也對實現(xiàn)我國煤礦事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展意義重大。

2.2 自動化技術(shù)的應(yīng)用

近年來，煤礦生產(chǎn)安全事故頻發(fā)，嚴(yán)重影響著我國煤礦事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，同時也對人民群眾的生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重影響，而煤礦通風(fēng)系統(tǒng)作為保障煤礦安全生產(chǎn)的重要屏障，越來越受到煤礦企業(yè)的重視。為此，煤礦企業(yè)逐步引入自動化技術(shù)，以實現(xiàn)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化升級。煤礦通風(fēng)領(lǐng)域，自動化技術(shù)的應(yīng)用主要包括通風(fēng)自動化系統(tǒng)、通風(fēng)變頻自動化系統(tǒng)、通風(fēng)自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用。

2.2.1 基于TCP/IP協(xié)議的通風(fēng)自動化系統(tǒng)的應(yīng)用

基于TCP/IP協(xié)議的通風(fēng)自動化系統(tǒng)采用“分層、分散、冗余”的設(shè)計方法來建構(gòu)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架及硬件的配置，同時采用以太環(huán)型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、光纖傳輸技術(shù)及多機備用來增強系統(tǒng)運行的可靠性，最終再采用VC+++、組態(tài)軟件來設(shè)計系統(tǒng)的主分站軟件，如此實現(xiàn)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的安全且可靠運行。結(jié)合煤礦通風(fēng)自動化系統(tǒng)的工作原理可知，此系統(tǒng)具備九大功能。本節(jié)試圖對此進(jìn)行重點介紹。

基于TCP/IP協(xié)議的通風(fēng)自動化系統(tǒng)具備現(xiàn)場手動操控功能、半自動操控功能、自控功能、“三遙”功能、數(shù)據(jù)顯示功能、故障記憶功能、自動報警功能、冗余功能、拓展功能。

（1）現(xiàn)場手動操控功能是指直接避開分站控制器，完全采用人工形式來操控外部硬件，如此實現(xiàn)煤礦通風(fēng)機的啟動、停止或暫停。

（2）半自動操控功能是指采用人工方式現(xiàn)場操控遠(yuǎn)程系統(tǒng)的主分站，如此實現(xiàn)煤礦通風(fēng)機的選擇性啟動、停止或暫停。

（3）自動功能是指經(jīng)現(xiàn)場采集來對煤礦通風(fēng)機的運行信息進(jìn)行分站，如此實現(xiàn)通風(fēng)機的自動化啟動、停止或暫停，并最終實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)效率的提高。

（4）“三遙”功能是指遙測功能、遙信功能、遙控功能，即遙測功能是指對現(xiàn)場煤礦通風(fēng)機的瓦斯?jié)舛?、風(fēng)壓、風(fēng)量及通風(fēng)機電機的電流、電壓、功率、溫度、速度等數(shù)值進(jìn)行遠(yuǎn)程測量，同時直接把測量數(shù)據(jù)傳遞至通風(fēng)自動化系統(tǒng)的主機；遙信功能是指對煤礦通風(fēng)機、風(fēng)門及電機現(xiàn)場開關(guān)的運行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程采集，同時直接把采集到的信息傳遞至通風(fēng)自動化系統(tǒng)的主機；遙控功能是指對遠(yuǎn)方系統(tǒng)的主機進(jìn)行操控。

（5）數(shù)據(jù)顯示功能是指對本地及遠(yuǎn)方能夠被監(jiān)測到的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行實時性顯示。

（6）故障記憶功能是指當(dāng)煤礦通風(fēng)設(shè)備發(fā)生故障以后，自動記錄與故障有關(guān)的所有數(shù)據(jù)信息。

（7）自動報警功能是指若通風(fēng)自動化系統(tǒng)的監(jiān)測值比預(yù)設(shè)的限值大，則及時對此進(jìn)行自動報警。

（8）冗余功能是指若通風(fēng)自動化系統(tǒng)局部出現(xiàn)故障，則自動采取系列補救措施來實現(xiàn)系統(tǒng)的繼續(xù)運行。

（9）拓展功能是指增加監(jiān)控分站的同時，實現(xiàn)與通風(fēng)自動化系統(tǒng)的自動連接。

結(jié)合通風(fēng)自動化系統(tǒng)的工作原理及功能可知，此系統(tǒng)主要由三部分組成，即信息集成分站、工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控、地面疾控中心。通風(fēng)自動化系統(tǒng)的工作原理詳見圖1。

如圖1所示，基于TCP/IP協(xié)議的通風(fēng)自動化系統(tǒng)主站必須經(jīng)以太網(wǎng)環(huán)形網(wǎng)關(guān)及時與系統(tǒng)分站的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，同時通風(fēng)自動化系統(tǒng)分站主要完成系統(tǒng)主站命令的接收，同時對通風(fēng)自動化系統(tǒng)實施自動化的操作。實踐表明，煤礦通風(fēng)領(lǐng)域，基于TCP/IP協(xié)議的通風(fēng)自動化系統(tǒng)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的安全且可靠運行，因此對此系統(tǒng)的應(yīng)用研究具有現(xiàn)實意義。

2.2.2 通風(fēng)變頻自動化系統(tǒng)的應(yīng)用

據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，我國煤礦開采過程普遍采用低效率的通風(fēng)機，即使用的通風(fēng)機數(shù)量超過數(shù)萬臺，同時通風(fēng)機的功率從百瓦到千千瓦不等，但實際操作過程，卻僅有少數(shù)通風(fēng)機的運行效率能夠達(dá)到70%，此外風(fēng)扇型通風(fēng)機的能耗量均達(dá)到30～40%?？梢姲炎冾l技術(shù)應(yīng)用到煤礦通風(fēng)領(lǐng)域非常必要，即進(jìn)行煤礦通風(fēng)變頻自動化系統(tǒng)的改造。研究表明，煤礦通風(fēng)變頻自動化系統(tǒng)的實現(xiàn)必須以對原有設(shè)備進(jìn)行改造為前提，即首先把變頻控制柜與原控制柜并聯(lián)起來，如此利用變頻器來操作通風(fēng)機，進(jìn)而實現(xiàn)對變頻與工頻雙回路操作系統(tǒng)進(jìn)行控制，然后再采用“一拖二、一用一備”的操作系統(tǒng)方式來操控主通風(fēng)機，如此實現(xiàn)工頻與變頻的自動切換。但需注意，此通風(fēng)變頻自動化系統(tǒng)多使用兩臺自動化變頻器，且首先分別由一臺自動化變頻器進(jìn)行控制，然后再撤銷原有的風(fēng)門控制閥箱，如此實現(xiàn)通風(fēng)變頻自動化系統(tǒng)的控制柜對可編程系統(tǒng)的控制器進(jìn)行直接性操控，進(jìn)而完成煤礦通風(fēng)。結(jié)合煤礦通風(fēng)變頻自動化系統(tǒng)的工作原理可知，對煤礦通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行自動化改造必須遵循如下改造策略：

（1）遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)與分布式集控系統(tǒng)的接口進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，以實現(xiàn)對煤礦通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，如此經(jīng)微機監(jiān)控便可實現(xiàn)對主通風(fēng)機任意電機實施啟動操作或運行監(jiān)控。

（2）煤礦通風(fēng)變頻系統(tǒng)的自動化改造過程，自動化的變頻柜應(yīng)設(shè)兩種風(fēng)量調(diào)控方式，即手動和自動，且對電能風(fēng)量自動調(diào)節(jié)的同時，可結(jié)合指定的風(fēng)量實現(xiàn)對變頻器的自動調(diào)控及變頻器運行頻率的自動輸出，如此實現(xiàn)對變頻器的風(fēng)量及頻率進(jìn)行自動化閉環(huán)操控。

（3）煤礦通風(fēng)變頻系統(tǒng)經(jīng)自動化改造以后，必須同時具備下列功能：過壓、過流、過載、電源缺及欠壓的聲光報警功能；自動化的保護(hù)功能；顯示頻率、指示運行狀況及顯示電源的功能；就系統(tǒng)運行故障及時且自動發(fā)出報警及及時顯示各種控制參數(shù)的功能。

實踐表明，煤礦通風(fēng)變頻系統(tǒng)經(jīng)上述自動化改造以后，運行效果也明顯改善，具體包括三方面的內(nèi)容：

（1）實現(xiàn)對變頻與原工頻相互閉鎖的控制，即采用PIE變頻技術(shù)對煤礦通風(fēng)機實施全程控制，具體采用微機、自動及就地控制方式，但自動化方式的應(yīng)用最普遍，因為自動化運行過程，若變頻器發(fā)生故障，則可及時切換到主通風(fēng)機。

（2）通風(fēng)機能夠?qū)崿F(xiàn)柔性化啟動，且能夠?qū)ο到y(tǒng)電網(wǎng)實施合理性的調(diào)整，此調(diào)整范圍為0～50Hz，如此既能控制機械間的相互掌機，又能改善電機的運行效果，并最終實現(xiàn)電機使用年限的延長。

（3）電能消耗量明顯降低，即可使煤礦通風(fēng)機的節(jié)電率達(dá)到37%，如此既能實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)的安全穩(wěn)定性，又能實現(xiàn)煤礦企業(yè)綜合效益的最大化。

實踐表明，煤礦通風(fēng)領(lǐng)域，通風(fēng)變頻自動化系統(tǒng)的應(yīng)用能夠有效改善煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)的現(xiàn)狀，因此若要實現(xiàn)我國煤礦事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，必須對此項應(yīng)用予以足夠的重視。

2.3 基于DCS技術(shù)的通風(fēng)自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用

煤礦通風(fēng)領(lǐng)域，DCS技術(shù)的應(yīng)用多由多級分層的計算機控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，即采用“控制與危險分散、操作與管理集中”的設(shè)計思想。研究表明，DCS技術(shù)采用分級遞階的分布式結(jié)構(gòu)，由此表現(xiàn)出易擴(kuò)展、易變更、操作靈活的特點，同時經(jīng)高速數(shù)據(jù)總線可實現(xiàn)各級間信息的相互交換。除此以外，過程控制級能夠?qū)崿F(xiàn)對煤礦通風(fēng)過程的平穩(wěn)操作，而對控制管理級的優(yōu)化能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)調(diào)管理及優(yōu)化工作點的目的，注意控制管理級涉及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模式控制、預(yù)測控制及專家系統(tǒng)等軟件?；贒CS技術(shù)的煤礦通風(fēng)自動化控制系統(tǒng)的工作原理詳見圖2。

如圖2所示，基于DCS技術(shù)的煤礦通風(fēng)自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用過程，利用傳感設(shè)備對巷道及工作面實施實時性監(jiān)測，能夠測定出煤礦工作空間的壓力、風(fēng)速、瓦斯?jié)舛?、粉塵含量及有毒有害氣體含量，同時能夠把各監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號，然后再借助光纖網(wǎng)絡(luò)把各數(shù)據(jù)信號輸送至DCS控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集站，此時再借助智能系統(tǒng)就接收到的數(shù)字信號予以處理，最后再對預(yù)設(shè)的最優(yōu)范圍參數(shù)與所得結(jié)果進(jìn)行比對。如此結(jié)合比對結(jié)果，若煤礦工作空間出現(xiàn)瓦斯突出的現(xiàn)象或各項指標(biāo)超出預(yù)設(shè)限值，則智能控制系統(tǒng)便會同時發(fā)出警報和指令，如此經(jīng)電機控制集成電路系統(tǒng)便可實現(xiàn)對主風(fēng)機的控制或?qū)νL(fēng)設(shè)備的正常運行發(fā)揮輔助作用，同時增加局部或總體的供風(fēng)量，進(jìn)而實現(xiàn)各項指標(biāo)的降低，此外待各項指標(biāo)被調(diào)節(jié)至正常范圍以后，控制系統(tǒng)再對各通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)對風(fēng)量及通風(fēng)耗能的合理控制，并最終實現(xiàn)煤礦開采成本的降低。實踐表明，基于DCS技術(shù)的煤礦通風(fēng)自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用既能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降耗的目的，又能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)?？梢?，對此項應(yīng)用的研究具有現(xiàn)實意義。

3 結(jié)論

結(jié)合前文可知，近年來，我國煤礦安全事故頻發(fā)，且煤礦生產(chǎn)成本普遍較高，由此嚴(yán)重影響著我國煤礦事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，甚至嚴(yán)重制約著我國人民群眾生活質(zhì)量的改善。另據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，對煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化改造能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降耗及控制事故發(fā)生率的目的。可見，對煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化改造具有現(xiàn)實意義。本文著重從三方面闡述了煤礦通風(fēng)領(lǐng)域自動化技術(shù)的應(yīng)用，即基于TCP/IP協(xié)議的通風(fēng)自動化系統(tǒng)、通風(fēng)變頻自動化系統(tǒng)、基于DCS技術(shù)的通風(fēng)自動化控制系統(tǒng)。經(jīng)研究，可得出下列結(jié)論：

（1）基于TCP/IP協(xié)議的通風(fēng)自動化系統(tǒng)具備九大功能，且借助此系列功能能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)運行的安全性及可靠性。

（2）通風(fēng)變頻自動化系統(tǒng)的應(yīng)用過程，必須事先對原有設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改造，且按文中所述步驟進(jìn)行改造以后，煤礦通風(fēng)運行效果顯著?？梢姡旱V通風(fēng)領(lǐng)域，通風(fēng)變頻自動化系統(tǒng)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)對通風(fēng)運行故障的有效控制，進(jìn)而有效改善我國煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)的現(xiàn)狀。

（3）基于DCS技術(shù)的通風(fēng)自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用既能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降耗的目的，又能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)，因此各煤礦企業(yè)必須高度重視對此項技術(shù)的應(yīng)用研究，以實現(xiàn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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