解利俊 王思潮 徐天偉

摘? 要：針對石人溝鐵礦井下生產(chǎn)延伸導(dǎo)致的通風(fēng)系統(tǒng)不能滿足通風(fēng)質(zhì)量要求、未實現(xiàn)三級通風(fēng)系統(tǒng)的遠程集中控制和監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)電控未聯(lián)網(wǎng)等問題，本文做了風(fēng)機站布局調(diào)整、通風(fēng)機站遠程集控改造、監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化等方面的系列研究，取得通風(fēng)系統(tǒng)覆蓋至井下生產(chǎn)最低中段-210m水平、在地表調(diào)度室集中監(jiān)測與控制風(fēng)機啟停和監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)電控聯(lián)入工業(yè)以太網(wǎng)的效果。

關(guān)鍵詞：通風(fēng)；監(jiān)測監(jiān)控；集中控制；自動化

石人溝鐵礦三期工程井下采礦采用兩翼對角抽出式的通風(fēng)系統(tǒng)，三級機站通風(fēng)模式，利用三期副井、斜坡道作為進風(fēng)通道，南回風(fēng)井、北回風(fēng)井作為回風(fēng)通道。Ⅰ級風(fēng)站在-180m水平7號、8號、9號、10號、11號天井聯(lián)絡(luò)道處各設(shè)一臺通風(fēng)機，通風(fēng)機型號為K40-8-NO.14型；Ⅱ級機站設(shè)在-60m水平南、北回風(fēng)井聯(lián)絡(luò)道，南二級風(fēng)機站安裝K40-8-NO.23型通風(fēng)機1臺，北二級風(fēng)機站安裝K40-8-NO.22型通風(fēng)機2臺；Ⅲ級機站設(shè)在南、北回風(fēng)井井口，南風(fēng)井采用DK45-6-NO.19型通風(fēng)機4臺；北風(fēng)井采用DK45-6-NO.20型通風(fēng)機4臺。

1.研究背景

隨著生產(chǎn)過渡期采礦工程的延伸，井下新增-210 m中段作為-180 m中段的生產(chǎn)延續(xù)，原通風(fēng)系統(tǒng)不能滿足延伸生產(chǎn)需要，必須對現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)進行優(yōu)化。

三級通風(fēng)機站風(fēng)機不能實現(xiàn)遠程集中控制啟停及狀態(tài)監(jiān)測。主要原因是一級風(fēng)站風(fēng)機均為現(xiàn)場啟動柜采用直接啟動，無法實現(xiàn)遠程控制啟停與監(jiān)測。其中二級、三級通風(fēng)機控制柜前期已進行了PLC控制改造，已具備遠程控制啟停功能[1]。

通風(fēng)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)落后?，F(xiàn)場監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備為獨立系統(tǒng)，僅能采集風(fēng)速，風(fēng)壓傳感器采用頻率輸出信號，礦山網(wǎng)絡(luò)控制中心不能對電氣控制部分的數(shù)據(jù)進行讀取監(jiān)測。調(diào)度室監(jiān)測后臺軟件陳舊，僅為圖表顯示，人機界面可視化水平低，調(diào)度人員不能直觀觀測到數(shù)據(jù)異常情況?，F(xiàn)場有毒有害氣體監(jiān)測不完善，不能滿足井下環(huán)境監(jiān)測的需要。

2.通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計與改造方案

2.1 風(fēng)機布局調(diào)整情況

Ⅰ級風(fēng)站在-180m水平7號、9號、10號、15號天井聯(lián)絡(luò)道處各設(shè)一臺通風(fēng)機，其中7號、9號天井聯(lián)絡(luò)道通風(fēng)機型號為K40-8-NO.14型，10號、15號天井聯(lián)絡(luò)道通風(fēng)機型號為FK NO.14型通風(fēng)機，在-195m水平和-210m水平13號天井聯(lián)絡(luò)道處各設(shè)一臺通風(fēng)機，-195m水平通風(fēng)機型號為K40-6-NO.9型，-210m水平通風(fēng)機型號為FK NO.14型；Ⅱ級機站設(shè)在南、北回風(fēng)井聯(lián)絡(luò)道，南風(fēng)井采用K40-8-NO.23型通風(fēng)機1臺，北風(fēng)井采用K40-8-NO.22型通風(fēng)機2臺；Ⅲ級機站設(shè)在南、北回風(fēng)井井口，南風(fēng)井采用DK45-6-NO.19型通風(fēng)機4臺；北風(fēng)井采用DK45-6-NO.20型通風(fēng)機4臺。

冬季在副井和輔助斜坡道利用空氣加熱器和防凍一體機對入井空氣進行加熱，預(yù)熱到+2℃再送入井下。

-180m至-210m中段開采：-180m中段的新鮮風(fēng)流經(jīng)三期副井、斜坡道進入井下區(qū)域，其中由三期副井進入的新鮮風(fēng)流經(jīng)-180m中段運輸巷道、穿脈運輸巷道、天井聯(lián)絡(luò)道、進風(fēng)天井進入需風(fēng)工作面，由斜坡道進入的新鮮風(fēng)流經(jīng)斜坡道聯(lián)絡(luò)道、沿脈巷道、穿脈巷道進入需風(fēng)工作面，從兩條路徑需風(fēng)工作面返回來的污風(fēng)經(jīng)各穿脈回風(fēng)天井、-60m回風(fēng)平巷，從地表南、北風(fēng)井抽出。

-210m中段的新鮮風(fēng)流由三期副井、斜坡道經(jīng)進風(fēng)天井（-180m～-210m）及采區(qū)斜坡道進入-210m中段需風(fēng)工作面。7號、9號天井為進風(fēng)天井，并在-180m水平天井聯(lián)絡(luò)道處安裝通風(fēng)機，利用10號、13號、15號通風(fēng)天井作為-210m中段的進風(fēng)天井，并在-180m水平10號、15號通風(fēng)天井聯(lián)絡(luò)道處安裝通風(fēng)機，在-195m水平和-210m水平13號通風(fēng)天井聯(lián)絡(luò)道處安裝通風(fēng)機。

-180m有軌運輸中段的新鮮風(fēng)流由三期副井、斜坡道進入井下區(qū)域，通過中段運輸巷道、穿脈運輸巷道進入需風(fēng)工作面，返回的污風(fēng)經(jīng)回風(fēng)天井、-60m回風(fēng)平巷，從地表南、北風(fēng)井抽出。變更后生產(chǎn)過渡期通風(fēng)系統(tǒng)示意圖如圖1，變更后Ⅰ級機站風(fēng)機配置情況見表1。

2.2? 通風(fēng)機站遠程集中控制改造

使用西門子S7-200 系列PLC和數(shù)字量、模擬量模塊對風(fēng)機運行開停狀態(tài)、電流、電壓、電機溫度、振動等參量進行采集與監(jiān)測，并通過上位機遠程集中控制，以實現(xiàn)通風(fēng)機站遠程集中控制。

2.2.1? 控制原理

本次改造將表1所示的6臺機站啟動柜更換為PLC控制啟動柜，控制柜內(nèi)設(shè)備主要包括S7-200 SMART PLC模塊、AE04模擬量模塊、AR04模擬量模塊、工業(yè)以太網(wǎng)交換機、威綸通觸摸屏、24V開關(guān)電源等。PLC模塊為核心控制單元，用于數(shù)據(jù)采集與輸出控制，通過網(wǎng)線與工業(yè)以太網(wǎng)連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊；AE模擬量擴展模塊用于采集風(fēng)速、風(fēng)壓、有毒有害氣體和振動等傳感器的4～20MA模擬量信號；AR模擬量擴展模塊用于采集前后軸承及繞組的溫度信號；威綸通觸摸屏用于風(fēng)機運行狀態(tài)與監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示和風(fēng)機啟?？刂啤？刂乒裨硪妶D2。

2.2.2? 基礎(chǔ)通信改造

一般用于工業(yè)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的主要方式有RS485總線、CAN總線和工業(yè)以太網(wǎng)，傳輸介質(zhì)為銅纜和光纜，但使用銅纜進行傳輸存在以下弊端：一方面，需根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)類型，使用專用的線纜，不能混用；另一方面，不同的工控設(shè)備的接口不盡相同，由于使用銅纜，傳輸介質(zhì)不能混用，需要鋪設(shè)多條銅纜。而光纜與銅纜相比具有容量大、傳輸帶寬更寬、電磁干擾抵抗力強和可兼容性好等優(yōu)點，可根據(jù)建設(shè)現(xiàn)場的需求，利用各類光電轉(zhuǎn)換通信設(shè)備實現(xiàn)與工業(yè)以太網(wǎng)的連通，達到共用一條光纜線路的目的，實現(xiàn)高容量通信和簡化布線結(jié)構(gòu)的效果。在此次改造中需要增加12芯光纖2500米，新增交換機及光模塊見表2。

2.2.2? 通訊協(xié)議

通風(fēng)質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該具有Web聯(lián)網(wǎng)功能，便于上級部門或各級應(yīng)急管理部門聯(lián)網(wǎng)和檢查時，隨時調(diào)取實時運行數(shù)據(jù)。原通風(fēng)質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)使用獨立的、專門的軟、硬件解決方案，雖然能解決聯(lián)網(wǎng)查詢功能，但監(jiān)測系統(tǒng)與電控系統(tǒng)獨立運行，不能真實、全面的反映通風(fēng)系統(tǒng)的運行狀況，因此，集控系統(tǒng)與Web服務(wù)器之間需要有一套通信協(xié)議或接口，本次系統(tǒng)改造使用目前國際主流的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議MQTT，是IBM開發(fā)的即時通訊協(xié)議[2]。目前，主流的軟、硬件廠商都對TQTT協(xié)議提供了支持，并且已有多個專門用于數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的代理系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用，本次系統(tǒng)改造使用該協(xié)議將集控系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)上傳至代理系統(tǒng)服務(wù)器，并通過二次開發(fā)的Web服務(wù)器將采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)可視化，以便于各個數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)調(diào)取與深入分析研究。

2.2.3? 服務(wù)器及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一級風(fēng)站、二級風(fēng)站、三級風(fēng)站將PLC采集的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)上傳至帶MQTT協(xié)議的威綸通HMI，再上傳至存儲服務(wù)器主機上。該平臺系統(tǒng)為三層架構(gòu)模式，即“云端服務(wù)器->觸摸屏->傳感器&控制器”的架構(gòu)模型?！皞鞲衅?控制器”是指可以用來采集、測定數(shù)據(jù)的如風(fēng)速、風(fēng)壓傳感器或者是可以被控的設(shè)備如變頻器、啟動柜，下位機PLC再采集控制各類設(shè)備的數(shù)字量、模擬量或RS485信號；“觸摸屏”是上位機，其通過網(wǎng)線與PLC設(shè)備和交換機進行通訊，用途是將PLC設(shè)備采集測定的數(shù)據(jù)發(fā)送到云端服務(wù)器或通過人機界面將需要控制的操作或數(shù)據(jù)返回給PLC設(shè)備；“云端服務(wù)器”包括網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器、虛擬化管理服務(wù)器、存儲服務(wù)器，服務(wù)器上部署數(shù)據(jù)庫，用戶可以在部署的工業(yè)以太網(wǎng)內(nèi)通過客戶端（電腦）以瀏覽器的形式訪問數(shù)據(jù)庫，并以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)與監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)調(diào)用與監(jiān)測顯示[3]。監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)包括顯示所有監(jiān)測數(shù)據(jù)、實時報警、歷史數(shù)據(jù)查詢、報表、曲線、打印等。

2.3? 可視化平臺系統(tǒng)

系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)模式設(shè)計，系統(tǒng)的設(shè)計是基于數(shù)據(jù)傳輸之上的，軟件開發(fā)采用B/S架構(gòu)。辦公室人員通過瀏覽器登陸系統(tǒng)完成監(jiān)測數(shù)據(jù)、實時報警、歷史數(shù)據(jù)查詢、報表、曲線、打印等操作。

2.3.1? 軟件功能

（1）軟件支持MQTT協(xié)議，通過光纖網(wǎng)絡(luò)方式同現(xiàn)場終端通信。

（2）支持瀏覽器登錄網(wǎng)絡(luò)訪問系統(tǒng)。

（3）系統(tǒng)支持定時主動上報+ 事件告警主動上報+ 定時問詢 + 即時召測。

（4）軟件模塊化設(shè)計，主要包括系統(tǒng)信息、測點信息、在線監(jiān)測、歷史記錄、報表分析、日志管理等功能。

2.3.2? 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

在井下一、二級風(fēng)機站和地表三級風(fēng)機站的配電室及主要通道處設(shè)置視頻監(jiān)控系統(tǒng)。硬件設(shè)備包括海康威視的硬盤錄像機及攝像頭、希捷硬盤、交換機和顯示器，機站現(xiàn)場安裝攝像頭和交換機，攝像頭通過網(wǎng)線與交換機連接，調(diào)度室內(nèi)搭配帶硬盤的硬盤錄像機、交換機和顯示器，硬盤錄像機分別與交換機和顯示器通訊連接，硬盤容量依據(jù)搭載攝像頭數(shù)量和像素進行選型，保障存儲時間高于1個月，以實現(xiàn)對風(fēng)機設(shè)備運行狀況和周邊環(huán)境視頻資料的實時監(jiān)控與歷史回放，便于制定應(yīng)對措施[4]。

2.3.3? 現(xiàn)場傳感器情況

對通風(fēng)系統(tǒng)傳感器進行優(yōu)化升級，將原獨立的通風(fēng)質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)改造為接受傳感器輸出4-20mA電流信號的開放式系統(tǒng)平臺，接入到風(fēng)機運行電氣控制中。使用超聲波旋渦式風(fēng)速傳感器替代原系統(tǒng)的皮托管風(fēng)速傳感器，有效降低污風(fēng)中粉塵和水汽對傳感器的影響，降低維護工作量，提高傳感器的使用壽命，選用26PC系列硅壓力傳感器提高介質(zhì)的測量兼容性；有毒有害氣體傳感器方面，在-180m、-195m和-210m水平生產(chǎn)中段的13#穿進風(fēng)巷和14#穿回風(fēng)巷靠近采場位置增設(shè)NO2和CO傳感器。在-180m水平避災(zāi)硐室增加CO、CO2、O2、溫度、濕度和大氣壓檢測報警裝置[5]。

3.改造后的效果

經(jīng)過對井下通風(fēng)系統(tǒng)的一系列改造，優(yōu)化了一級風(fēng)機站的布置位置及數(shù)量，確保了井下通風(fēng)質(zhì)量，滿足了生產(chǎn)安全需要；完成對通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機的遠程集中控制改造，實現(xiàn)機站現(xiàn)場的無人值守，可減少崗位值守人員16名；對通風(fēng)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)進行升級，加入了電控部分，優(yōu)化了風(fēng)速、風(fēng)壓傳感器，新增了有毒有害氣體傳感器，監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)滿足聯(lián)網(wǎng)要求，同時將井下通風(fēng)系統(tǒng)狀況動態(tài)的顯示在監(jiān)控主畫面上，實時顯示風(fēng)速、風(fēng)壓、風(fēng)量、風(fēng)機開停等狀態(tài)數(shù)據(jù)，提高了可視化水平。在石人溝鐵礦調(diào)度室內(nèi)就可以完成一、二、三級風(fēng)機站統(tǒng)籌管控，同時，整合通風(fēng)質(zhì)量監(jiān)測和運行控制兩個系統(tǒng)后，實時對運行數(shù)據(jù)進行監(jiān)測記錄，當(dāng)設(shè)備發(fā)生異常時候，能第一時間做出反映并制定切實可行的檢修方案，延長了設(shè)備使用壽命，降低了通風(fēng)質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的維護工作量?？傊靖脑斓膶嵤┚哂辛己玫慕?jīng)濟和社會效益。

4.結(jié)語

石人溝鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與改造的成功，推動了礦山科技化轉(zhuǎn)型發(fā)展，走出了一條科技強企的發(fā)展之路，同時為該行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新積累了經(jīng)驗，起到了示范作用。

參考文獻：

[1] 溫占國，郭子林，解利俊等。關(guān)于石人溝鐵礦井下通風(fēng)設(shè)備的優(yōu)化改造[J].礦業(yè)工程，2018，16（04）：41-42.

[2] 侯曉磊。井下通風(fēng)系統(tǒng)自動化應(yīng)用研究[J]. 能源與節(jié)能，2018（4）：156-157，167.

[3]黃堅，徐巍，姚宗旭等。金屬礦山智能通風(fēng)理論與技術(shù)[J].有色設(shè)備，2021，35（05）：89-93.

[4]翟立朋。石人溝鐵礦無人值守技術(shù)應(yīng)用研究[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟，2022，（08）：124-126.

[5]李敬儒，嚴旭。基于遠程控制的井下通風(fēng)系統(tǒng)研究[J].設(shè)備管理與維修，2023，（17）：3-5.

作者單位：河鋼集團礦業(yè)有限公司石人溝鐵礦