王開松 許 歡 靳華偉 牛乃平 徐記順 張亮 閆宣宣

摘 要：現(xiàn)代礦山越來越向智能化發(fā)展，目前大部分礦井的風門系統(tǒng)仍需要人力或半機械進行啟閉，不符合礦井智能化建設的要求。論文針對井下風門的遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)開展研究，建立了風門實時監(jiān)控系統(tǒng)的功能框架，制定了實時監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程，對風門實時監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵技術進行分析，并搭建礦井風門實時監(jiān)控平臺，實現(xiàn)對井下風門智能化的實時監(jiān)控、數(shù)據的無線傳輸以及異常預警等功能。

關鍵詞：風門;實時監(jiān)控;監(jiān)控平臺

中圖分類號：TP23;TD441 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1673-260X（2021）12-0015-04

引言

井下風門系統(tǒng)主要是利用風門開合的方法持續(xù)向巷道內提供新鮮空氣，滿足井下工作人員對氧氣的需求，沖淡并釋放出空氣中的有害氣體和浮塵，調節(jié)巷道內的環(huán)境條件，創(chuàng)造良好的工作環(huán)境，有利于保障礦井安全生產。風門系統(tǒng)作為礦井通風系統(tǒng)的重要組成部分，其智能化一直是數(shù)字礦山建設中尤為關鍵的一環(huán)。但目前，礦井風門仍然是需要人力或半機械進行開合，工作難度大，對于突發(fā)狀況難以做出及時反應，而且井下負壓較大，風門作為隔斷風流的通風設施，往往開啟費力，且關門過程中由于負壓作用關門過快易傷過往行人，難以滿足礦井智能化建設的需求。因此，為了滿足智能礦山對于安全生產的追求，需要建立一種集實時監(jiān)測、數(shù)據傳輸、數(shù)據分析、智能決策、實時控制為一體的礦井風門實時監(jiān)控系統(tǒng)。

近些年來，廣大學者對煤礦井下風門智能化建設展開了廣泛的研究。劉嘉鑫針對井下風門自動化程度低，設計了一種基于PLC的礦井風門自動控制系統(tǒng)[1]。武超等研究了煤礦井下自動風門的組成和液壓系統(tǒng)的控制機構，設計了風門自動控制系統(tǒng)[2]。高俊亮針對風門應對災變時缺乏監(jiān)測監(jiān)控能力，研究并設計了一種自動風門系統(tǒng)[3]。張立群為實現(xiàn)風門的自動化控制，設計了一套雙向無壓快速拆裝自動風門[4]。陳翰光以18305回采工作面為研究背景，闡述了礦井采用智能通風與實時監(jiān)測控制系統(tǒng)[5]。周福寶等圍繞礦井智能通風的原理，論述了礦井智能通風建設關鍵環(huán)節(jié)的功能實現(xiàn)技術路徑[6]。高連月等以劉塘坊礦業(yè)為研究對象，設計了主扇風機遠程自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了遠程自動化控制等功能[7]。劉建榮等以天祝煤礦斜井為研究對象，介紹了一種煤礦斜巷多水平提升監(jiān)控系統(tǒng)[8]。

綜上所述，過往的研究主要是對風門自動化控制及礦井通風系統(tǒng)的組成展開的部分研究，對于風門遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)的研究還比較少。本文對煤礦井下風門的遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)進行研究，搭建該實時監(jiān)控系統(tǒng)的功能框架，分析實時監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程，并對搭建風門實時監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵技術進行分析。

1 實時監(jiān)控系統(tǒng)的原理

1.1 概念

風門實時監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵是將井下信息采集及處理技術、數(shù)據網絡傳輸技術與風門自動控制系統(tǒng)深度結合，依據“平戰(zhàn)融合”的思想，實現(xiàn)按需開門的智能決策與應急調控的目標，既滿足井下日常人員車輛及物資的調度任務，又實現(xiàn)日常通風的智能化管理。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能

該監(jiān)測控制系統(tǒng)應用上位機對風門工作狀態(tài)及巷道環(huán)境進行監(jiān)測、顯示、報警及其他管理，其主要功能：

（1）實時預警巷道內異常情況。保障風門自動控制系統(tǒng)日常運行的安全性與穩(wěn)定性，對井下風量異?，F(xiàn)象及時反應;滿足對風門運行異常情況的智能感知及預警。

（2）實時監(jiān)控滿足智能化調控。運用人員及車輛定位技術、井下物聯(lián)網系統(tǒng)、大數(shù)據、信息通信和自動化技術，建立風門實時監(jiān)測與控制系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據分析、智能決策與實時調控的相互融合，實現(xiàn)災害的預防、減弱、控制及主動搶險救災等全過程的自動化與智能化。

（3）遠程啟、停、調速功能。系統(tǒng)按照預編程序可實現(xiàn)風門遠程啟閉控制，并可根據井下生產情況，對風門進行不同程度的開合，實現(xiàn)節(jié)能經濟運行。

（4）監(jiān)測參數(shù)實時顯示功能。可顯示巷道人員與車輛的信息（如位置、人員身份、車輛種類等）、通過風門的物料信息（如種類、數(shù)量等）、巷道環(huán)境信息（如風量、風壓、溫度等），風門啟閉與開合度情況。

（5）設備運行狀況、信息統(tǒng)計功能。通過建立實時數(shù)據庫，對關鍵設備運行信息實時生成趨勢曲線和數(shù)據報表，并提供查詢功能，及時掌控風門的運行狀況及巷道內的環(huán)境變化。

（6）視頻監(jiān)控功能。實現(xiàn)監(jiān)控后臺對風門運行狀況的實時監(jiān)控。

1.3 監(jiān)控系統(tǒng)模塊單元

風門實時監(jiān)控系統(tǒng)精準獲取巷道內的環(huán)境信息、人員及車輛位置信息，基于數(shù)據處理分析系統(tǒng)、信息智能決策平臺和風門自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對風門不同開合度的數(shù)字化調節(jié)。在電力系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，人工能夠干預風門開合控制。當巷道內的通風系統(tǒng)出現(xiàn)風流短路或局部區(qū)域反風時，環(huán)境感知模塊能準確判斷異常，迅速做出預警并給出調控方案，及時對風門開合度進行調整。因此，礦井風門實時監(jiān)控系統(tǒng)由環(huán)境感知系統(tǒng)、數(shù)據處理及分析系統(tǒng)、數(shù)據傳輸系統(tǒng)、智能決策平臺和風門自動控制系統(tǒng)組成，按照井下多源異構信息實時感知→安全高效信息傳輸→風門信息分析與智能決策→風門執(zhí)行器及動力智能對調節(jié)控制指令發(fā)布與執(zhí)行的工作流程，如圖1所示。

系統(tǒng)管理模塊包括用戶管理、安全管理和權限管理。在用戶管理模塊會將使用者劃分為普通用戶和管理人員，對于不同身份的用戶設置不同權限。需求調度管理模塊包括物料需求調度、任務調度和應急調度。通過對調度任務的管理，可以更好地對風門加以控制。物理層信息獲取模塊中，實時物料信息包括物料所在位置、物料的種類及物料的數(shù)量等;實時人員信息包括人員所處位置、人員身份等;實時車輛信息包括車輛所在的位置、車輛的種類、車上所載有貨物種類等;實時環(huán)境信息包括巷道內的風流速度、巷道內的溫度變化等。監(jiān)控結果輸出模塊，可以將巷道內的監(jiān)控信息通過趨勢曲線或數(shù)據報表的方式顯示在上位機監(jiān)控平臺上，反饋給生產管理人員，管理人員能夠依據相關圖表對風門的開合做出相應調整。

2 實時監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程

實時監(jiān)控系統(tǒng)由三個模塊組成，其工作原理如圖2所示。通過實時感知模塊監(jiān)測巷道中風速、風壓、溫度、人員車輛位置信息等數(shù)據，將采集到的數(shù)據按照預設的解算方法及解算時間間隔進行處理分析，利用可編程控制器進行風門設備的遠程控制，最終實現(xiàn)對風門的實時監(jiān)測控制。

2.1 數(shù)據采集與模數(shù)轉換模塊

不同的傳感器負責收集的巷道內及風門附近的各種環(huán)境參數(shù)信息，為精準對風門做出不同開合度的調節(jié)控制提供依據;視頻監(jiān)控器負責收集巷道內及風門附近的視頻圖像，為監(jiān)控系統(tǒng)對風門的啟閉做出遠程控制，提供有效全面的圖像支持;紅外傳感器負責監(jiān)測人員活動及車輛行駛情況，為對風門的智能控制提供反饋信息。各類傳感器采集到的信息經過模數(shù)轉換成數(shù)字量之后經過通信網絡傳輸?shù)较乱画h(huán)節(jié)。

2.2 數(shù)據分析與決策模塊

通過對數(shù)據分析準確判斷巷道環(huán)境狀況、風門啟閉狀態(tài)，實時預警，并融合井下人員、車輛定位系統(tǒng)等多重信息，制定井下風門設備的調控策略。

作為監(jiān)控系統(tǒng)對用戶的直接顯示媒介，用戶可以在登錄上位機系統(tǒng)后對巷道內及風門附近的各種信息進行檢核、調控。下位機負責對巷道內及風門附近的各種信息（如溫度、風速、車輛位置等）進行收集、傳輸并對風門設備進行控制。如圖3所示，當下位機硬件裝置通電自動聯(lián)網完成后，用戶登錄上位機系統(tǒng)，系統(tǒng)會自動獲取網絡節(jié)點拓補圖，根據上位機系統(tǒng)的指令與下位機節(jié)點通信，并將下位機收集到的數(shù)據信息以實時曲線的形式在屏幕上顯示。當釆集到的參數(shù)值超過初始設定的預警值時，系統(tǒng)進行觸發(fā)聲光報警器并驅動下位機響應動作。同時在系統(tǒng)內設置實時數(shù)據庫，將收集到的信息數(shù)據進行保存。當下位機處于未聯(lián)網狀態(tài)時，用戶也可以在登錄上位機系統(tǒng)后查看存儲的歷史信息。

2.3 控制執(zhí)行模塊

執(zhí)行層主要包括風門執(zhí)行器、車輛位置傳感器、人員監(jiān)控傳感器、聲光報警器等。執(zhí)行器在接收到上位機發(fā)送的指令后，可以控制風門啟閉使人員或礦車安全通過;可以調節(jié)風門開合度，改變巷道內的過風斷面積，得到不同風量，實現(xiàn)巷道內不同區(qū)域需風量的調控?？删幊炭刂破髟诓杉骄峦L異常狀況或行人員車輛信號后，輸出聲光報警。

2.4 其他模塊

（1）實時數(shù)據庫。在監(jiān)控系統(tǒng)運行過程中，需要處理有海量的數(shù)據，其中，很大部分的數(shù)據和信息是并非是一成不變的，例如礦車的位置信息、巷道溫度等。由于監(jiān)控系統(tǒng)對于信息存儲的實時性要求較高，通過實時數(shù)據庫的建立，能夠生成運行參數(shù)趨勢曲線和數(shù)據報表，可以在上位機系統(tǒng)中查詢。

（2）網絡通信。通信網絡主要包括井下多源異構信息的交互傳輸算法、工業(yè)以太網、網絡交換機、傳輸分站、傳輸線纜等。在巷道內及風門附近搭建若干無線基站，實現(xiàn)風門與監(jiān)控平臺的實時通訊，達到礦井上下通訊調度一體化的目的，實現(xiàn)了對風門系統(tǒng)的遠程監(jiān)測與控制。

（3）操作箱。操作箱是用于風門執(zhí)行器、風門設備的手動按鈕控制的操作，用于系統(tǒng)工作方式的選擇。在緊急情況下，手動操作控制風門打開的功能。

3 關鍵技術

3.1 物聯(lián)網技術

基于物聯(lián)網技術的風門監(jiān)控系統(tǒng)可以劃分為三個基本架構，由物理層、數(shù)據層和服務層組成。物理層將無線傳感器網絡技術和傳感器技術結合，實現(xiàn)對巷道內及風門附近數(shù)據信息的采集，并經過多跳式轉發(fā)模式向基站傳輸信息;數(shù)據層采用5G技術進行數(shù)據傳輸，由物理層中的基站通過多跳式轉發(fā)模式向監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送現(xiàn)場收集到的數(shù)據信息;服務層是系統(tǒng)控制中心，它主要通過上位機平臺對井下數(shù)據進行顯示并對所采集的數(shù)據進行分析和處理。

3.2 傳感技術

為實現(xiàn)對風門的遠程實時監(jiān)控，需要有大量來源于現(xiàn)場環(huán)境的數(shù)據信息，而現(xiàn)場環(huán)境的數(shù)據信息來源于傳感器，傳感器賦予了萬物“感官”功能，如視覺、聽覺等，可以通過不同類型的傳感器感知周圍環(huán)境。為了能夠采集巷道及風門附近的數(shù)據信息，論文對所需部分傳感器做了選型，如表1所示。

3.3 無線傳感器網絡技術

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）是由大量的具有感知能力的監(jiān)測節(jié)點，通過無線通信方式搭建的一個自組織的無線網絡。WSN能夠通過不同傳感器的協(xié)作對井下信息進行采集，并對監(jiān)測區(qū)域內的節(jié)點信息進行處理，最后發(fā)送給監(jiān)測系統(tǒng)，如圖4所示。

3.4 5G技術

論文將5G技術作為實現(xiàn)風門監(jiān)控系統(tǒng)中人員、計算機、設備相互聯(lián)結的網絡基礎。風門監(jiān)測系統(tǒng)利用無線傳輸方式將礦井上下連接，通過5G技術傳輸數(shù)據信息?；臼占臄?shù)據通過TCP/IP協(xié)議轉換模塊送入5G無線數(shù)據傳輸模塊中，再將TCP/IP協(xié)議的網絡信號傳輸?shù)?G網絡，最后將數(shù)據信息傳輸給監(jiān)控中心服務器端口，如圖5所示。

3.5 自動控制技術

風門智能控制系統(tǒng)通過配備的各類傳感器、可編程控制器、數(shù)據傳輸設備及風門執(zhí)行器等裝置，借助5G和無線傳感器網絡等現(xiàn)代通信與網絡技術實現(xiàn)礦井上下信息置換，從而使風門能夠在井下復雜環(huán)境下實現(xiàn)傳感感知、智能決策、控制執(zhí)行等功能。

4 礦井風門實時監(jiān)控平臺

論文搭建了按需通風、按需開門的智能控制層和礦井上下聯(lián)動的裝置執(zhí)行層，建立了礦井風門遠程實時監(jiān)控平臺。系統(tǒng)以Visual Studio 2017， MySQL 5.7為開發(fā)環(huán)境，開發(fā)了控制中心的監(jiān)測軟件平臺，包括后臺數(shù)據庫系統(tǒng)和監(jiān)測顯示界面。此平臺基于網絡通信技術，將井下信息采集、數(shù)據分析與智能決策、遠程控制等技術進行融合，實現(xiàn)了風門運行狀況監(jiān)控、礦井巷道信息管理、對井下采集到的數(shù)據及風門運行數(shù)據進行管理和對井下風門相關預警參數(shù)進行設置等功能。該平臺的運行管理是基于多源異構數(shù)據的采集與傳輸及監(jiān)控平臺的智能分析與決策。

5 結語

礦井風門裝置對巷道內的通風換氣、井下工作人員及運輸車輛安全起著重要的作用，將風門啟閉系統(tǒng)向機械化、智能化轉型發(fā)展具有十分積極的意義。本文提出了一種基于井下監(jiān)測傳感技術的風門實時監(jiān)控方法，搭建了監(jiān)控系統(tǒng)的功能框架，對該系統(tǒng)的關鍵技術開展了研究，為促進實時監(jiān)控技術在礦井風門系統(tǒng)上的應用進行了初步探索。

參考文獻：

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