井下按需通風自動化系統的設計與改造

李憲英

摘 要：基于供給側改革的研究前提下，我國的綜合國力和經濟實力取得顯著提高，同時促進了自動控制領域的發展。在原有的井下通風控制系統的研究層次上，采取一系列的改造方案，使通風系統更加適應現代礦井工程建設。本文依據井下通風自動控制系統的優化改造作為入手點，分析了井下通風系統存在的共性問題，論述了井下通風自動控制系統的改造方案與要求，闡述了通風控制系統方案的設計，為我國礦井開采領域提供借鑒價值。

關鍵詞：井下;通風自動控制;系統設計;改造

中圖分類號：TD724 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）22-0092-02

礦井通風控制系統在井下生產作業安全中占據重要地位。在井下通風自動控制系統，能夠方便井下生產作業，使生產程序更加具有高效性和安全性。在傳統的井下通風控制系統上，一般采用繼電裝置構成控制系統，由人工操作的方式完成。傳統井下通風控制系統在動態監控和實時控制能力方面存在嚴重弊端。為此，解決傳統井下通風控制系統所面臨的問題，必須采取現代化控制手段，對通風控制系統進行自動控制升級改造，以適應現代化井下生產作業。對井下通風控制系統的改造，可以從系統改造和控制方案設計兩個方面入手，來實現通風系統運行的準確性和實時性，這在礦井運行安全中占據重要的地位。

1 針對于井下通風控制系統存在的問題分析

一般來說，礦井通風系統一般采用機械通風的方式，而這種方式在實際的工作運行中會出現風機或者局部風機風流循環風、機配套設備不足以及風網不匹配等問題。這對井下通風系統的效果產生了嚴重的影響。

1.1 風機與風網不相匹配的問題分析

風機同風網不匹配，這是井下通風系統存在較為嚴重的共性問題，風機與風網不相匹配都會導致通風系統的整體通風效果大大降低。為此，在風機選型階段，需要考慮裝置效率以及網絡匹配度和運行穩定度等原則。同時井下通風系統具有復雜多變的特點，也是導致風機與風網不匹配的一個原因。一是，風機性能與通風系統不匹配，導致工況點始終處于低效率運行，進一步造成過多的能源浪費問題。同時，也無法滿足正常的生產需要;二是，在井下通風系統的設計中，由于多個風井礦井和風機之間具有相互的影響，導致中斷風流分配的問題。另外，當多臺風機串并聯工作時，將會嚴重降低其安全性和穩定性，也會導致井下風量供給不足[1]。

1.2 風機站設計安裝的位置問題分析

在井下通風系統設計階段，風機站位置的選擇對于整個礦井通風系統的功能發揮著巨大的作用。風機站的位置選擇不恰當，會導致井下不同風量供給存在不均，容易出現問題，如風流停滯循環等，進而威脅井下工作人員的生命健康[2]。除此之外，有些礦井進風機的位置一般設于主運輸中，則會造成以污染的風流經由回風天井進入上一作業區間，進一步引發上區間風流污染問題。

1.3 風流局部循環的問題分析

通風控制系統的風流循環通風一般分為兩類：一是內部循環;二是外部循環。在內部循環方面，因為機站內通風構筑物配置不完全或者配置出現故障問題，則會導致內部產生循環。另外，當需要將風機站安裝于運輸區間時，為了盡量避免影響系統的正常運行，需要將風機站設置于繞巷道。與此同時，增加相應的通風保護系統。

1.4 自然風壓的問題分析

自然風壓是指導致井下發生空氣流動的一種天然因素。造成自然風壓的強弱直接關乎于進風井與回風井內的溫度差異。一旦進風井和回風井的溫度差異越大，則產生的自然風壓也就越大。一般來說，冬季階段自然風壓對于礦井通風是有好處，但是在夏季階段則不利于礦井通風[3]。

2 針對于井下通風控制系統的改造分析

現階段，隨著科學技術的不斷完善，在自動化控制技術在井下通風系統中的應用較為顯著。對此，自動控制系統的設計與改造在構成上主要分為現場分散檢測系統和集中控制系統[4]。另外，還需要在礦井生產的各個關鍵環節設置監控點，有效地對井下生產的風量溫度以及有害氣體實現實時監控，并將監控所得的數據傳輸到計算機，以便計算機能夠對監測的數據實現綜合化管理與分析，得出最佳的風量控制方案，進一步實現對通風機的實時調節，以實現運行控制的自動化。

2.1 井下通風控制系統的基本要求

采用自動控制系統，重要因素在于井下通風機的自動監控系統的性能優良性。目前，自動控制系統分為兩個方面：一是，風機動力變電監控系統;二是，風機運行參數自動控制系統。在井下通風控制系統的核心方面主要分為三個，現場參數、風機運行參數以及高壓開關柜。在現場參數方面，需要對井下施工作業的風量、風速以及氣體濃度壓強等參數進行實時監測。另外，還需要對風機運行的物理變量，如電壓、電流、功率等參數進行監測，出現異常，則說明風機出現故障。

2.2 井下通風控制系統的總體設計方案

2.2.1 井下通風網絡的設計與優化

在井下施工作業的中后期，會根據實際需要布置一些串并聯巷道，這便導致在施工作業方面的難度和復雜程度都在一定程度上優于施工前期，與此同時對整個通風系統的設計要求更高。對此，需要加強對通風設置監管工作，并且注意巷道封閉工作，避免了風流短路等安全隱患，進一步改善和礦井的通風問題，最終優化整個通風網絡的設計，以提高礦山企業的經濟效益。

2.2.2 井下局部通風與自然風壓的設計與優化

由于整個礦井通風是一個復雜的結構，需要在設計時，注意對局部通風的自動化技術完成優化改造。比如，可以利用濕式鑿巖的方法，并根據實際需要，準備適用于局部的風扇;在進行爆破工作后馬上進行噴水，或者通過佩戴相應儀器隨時檢測身體狀況等。除此之外，在自然風壓的設計優化上，需要充分考慮自然風壓對風機造成的影響。在冬天時可以采用自然風壓，進一步提高通風質量，從而降低通風資金成本;在夏天時可以采取有效的措施，以預防自然風壓所帶來的影響，保證施工的正常進行。

2.2.3 傳感器參數的設置與優化

除此之外，在現場作業施工時，參數的設置包括環境參數設置和風機運行參數設置。參數的實時監測，在井下作業面各個監測點安裝傳感器裝置，實現井下各項參數的實時監測，并將監測數據通過井下的工業以太網，傳輸控制中心，實現實時監測與控制。

2.2.4 借助以太網完成系統模塊的優化

目前，井下通風自動控制系統主要依賴于互聯網，構建三級網絡結構在組成方面具有工業級的多端口轉發裝置、系統防火墻裝置、網關裝置、以太網轉換裝置、數字模擬信號轉換裝置、模擬信號輸入裝置、開關量輸入裝置、模擬量輸出裝置等。由于組成系統模塊所涉及較多，所以必須采取行之有效的自動化總體設計方案，以便適應井下通風系統的工作效率?，F場PLC中央控制單元則依據以太網總線裝置，實現串口和遠程獨立監測點的相互連接，在采用通訊端口時可以應用RS485類型的通訊端口;應用的信道一般為高速有線信道或者光纜信道[5]。

3 針對于井下通風控制系統軟硬件升級設計分析

在井下通風系統的自動化設計階段，具有自動化控制、手動控制以及檢修控制三個方面。使用相應的電氣設備，以實現自動控制系統的改造與升級。借助PLC系統控制通風，并依據系統組態的控制方式展開實時自動化監控，在監控過程可以按照預設組態的方式，將控制模塊由實時轉換為手動控制模式。

3.1 在自動控制系統的硬件方面分析

井下通風作業現場一般采用集散控制系統。在選擇設備上可以選擇工業級計算設備作為上位機，借助無線網絡和PLC控制單元相互接通，并將所監測的數據以及參數通過在井下安裝的傳感裝置輸入輸出裝置、數模轉換裝置，實現參數的實時傳輸，進一步完成對通風設備的實時變頻調控。在參數設置方面，一是，根據PLC設備能夠實現的基本功能來合理設置參數要求;二是，采用工業級計算機，使CPU的主頻需要在2兆赫茲以上，CPU的內存則不應小于2MB。三是，安裝的傳感裝置需要具有安全性和穩定性;四是，在應用智能變頻裝置和繼電裝置以及控制單元時，需要保證硬件系統的完整性以及功能性。除此之外，可以選擇數字智能顯示儀表，其操作單元也需要具備一定的防爆性和防水性[6]。

3.2 在自動控制系統的軟件方面分析

在井下通風控制自動化系統的軟件設計階段，由于采用了PLC控制程序，在設計編程語言上一般為梯形圖語言，這可以完成繼電裝置、接觸器裝置的綜合實現，并使操作人員能夠簡單明了的理解電氣運行原理。在基礎設置方面，一是，需要遵循繼電裝置系統的電路圖，并通過經驗設計法完成數字量系統的快速設計;二是，根據復雜系統選用順序控制梯形圖的設計方案，以便將復雜系統簡單化;三是，根據PLC供應商對繼電氣裝置應用的語言，依照順序梯形圖進行合理設計。

總之，在井下通風控制系統的設計改造階段，軟件設計具有靈活多變的設計理念，這也方便了對系統后續的拓展與升級。另外，可以按照施工設計的規章制度，完成風機參數、電機參數以及氣體濃度等檢測，并將檢測數據通過傳感器傳輸到PLC控制數據終端進行數據分析，以便完成自動化控制。除此之外，在系統存在除塵需求時，可以將電機頻率設置為25Hz，借助多個變頻方式的組合控制以實現除塵功能。同時在軟件設計方案上PLC反饋系統對風機轉速變化時的控制輸出變化，調整階段可以根據電機的多級調速功能，以實現電機的控制。

4 結語

綜上所述，礦井通風系統作為礦山能耗的重要組成部分，每年能源的消耗量占據礦井總量的三成，所以實施井下通風自動控制系統的設計改造，能夠有效的降低通風成本，這也是礦井作業的基本保障。通過井下通風自動控制系統的設計改造，能夠提高施工作業的運行效率，實時監測施工現場運行數據，并實現數據的高效采集，將采集的數據傳輸到PLC的控制系統實現數據的分析。為此，基于PLC技術的通風控制設計優化，能夠實現控制系統與作業現場的相互隔離，從而實現遠程無線通訊的暢通，以保證數據傳輸的準確性和高效性。與此同時，在PLC系統內部，則根據傳感器檢測到的參數，按照一定的邏輯控制程序，實現風機的啟停等功能，滿足礦井按需通風的需求。通過井下通風自動控制的優化改造，使施工作業具有高效性和可持續性，極大程度的保證了井下施工人員的生命健康，這對于礦井的經濟效益具有全面的作用。

參考文獻

[1] 李慧賓.煤礦井下通風自動化的改造[J].電子技術與軟件工程，2019，156（10）：144-145.

[2] 牛振濤.煤礦井下通風阻力測定及系統改造優化[J].能源與節能，2019（5）：34-35.

[3] 梁士軍.煤礦通風系統的安全性及優化設計[J].石化技術，2019（3）：170.

[4] 文達.某金礦深部通風系統優化方案對比[J].現代礦業，2019（2）：184.

[5] 霍東貝.煤礦主通風機系統改造與智能調控研究[J].當代化工研究，2019，40（04）：128-129.

[6] 吳豐全.基于DSP的煤礦通風雙局扇監測控制系統的研究[J].機械管理開發，2019，34（03）：221-222+235.