張大偉，　辛德林

(中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖北 武漢　430064)

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煤礦斜井盾構(gòu)施工長(zhǎng)距離獨(dú)頭通風(fēng)智能監(jiān)控系統(tǒng)

張大偉，辛德林

(中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖北 武漢430064)

針對(duì)煤礦斜井盾構(gòu)法施工時(shí)的長(zhǎng)距離獨(dú)頭通風(fēng)，設(shè)計(jì)了一種以PLC為核心的智能監(jiān)控系統(tǒng)。該智能監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)不同風(fēng)筒長(zhǎng)度的風(fēng)量及負(fù)壓變化規(guī)律，對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)；同時(shí)，對(duì)斜井井筒內(nèi)的甲烷、一氧化碳、二氧化碳及氧氣等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并上傳至礦區(qū)數(shù)字化管理平臺(tái)，為盾構(gòu)施工提供了安全的通風(fēng)保障。

盾構(gòu)法； 斜井盾構(gòu)施工； 通風(fēng)監(jiān)控； 智能監(jiān)控；PLC

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0　引言

神華新街臺(tái)格廟礦區(qū)1號(hào)試驗(yàn)斜井采用盾構(gòu)施工法，在國內(nèi)煤礦斜井建設(shè)中屬于首次。斜井盾構(gòu)施工時(shí)，由于井筒內(nèi)人員需風(fēng)量、瓦斯排出、有害氣體排出、設(shè)備散熱等因素，井筒內(nèi)的通風(fēng)非常重要。經(jīng)過方案比較，確定采用長(zhǎng)風(fēng)管獨(dú)頭機(jī)械壓入式通風(fēng)，以滿足施工需要。該斜井井筒總長(zhǎng)6 700m，隨著井筒盾構(gòu)施工的延伸，風(fēng)筒也逐漸延長(zhǎng)，井筒內(nèi)所需風(fēng)量和負(fù)壓也隨之增大。為此，設(shè)計(jì)了一種以PLC為核心的智能監(jiān)控系統(tǒng)，它可根據(jù)施工時(shí)不同風(fēng)筒長(zhǎng)度的風(fēng)量及負(fù)壓變化規(guī)律，對(duì)風(fēng)量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。該智能監(jiān)控系統(tǒng)還可通過環(huán)境監(jiān)測(cè)監(jiān)控分站及井筒內(nèi)設(shè)置的傳感器，對(duì)井筒內(nèi)的甲烷、一氧化碳、二氧化碳及氧氣等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并上傳至礦區(qū)數(shù)字化管理平臺(tái)，為盾構(gòu)施工提供了安全的通風(fēng)保障。

1　變頻通風(fēng)系統(tǒng)

通風(fēng)系統(tǒng)主備用通風(fēng)機(jī)均為對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)，主要通風(fēng)機(jī)主電動(dòng)機(jī)功率為2×200kW，備用通風(fēng)機(jī)主電動(dòng)機(jī)功率為3×185kW。軸流式通風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)方法有調(diào)整葉片角和調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速2種方法[1]。考慮到隨風(fēng)筒長(zhǎng)度要增加供風(fēng)量的關(guān)系，采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量。因此，通風(fēng)系統(tǒng)主電動(dòng)機(jī)的電氣傳動(dòng)采用380V低壓變頻調(diào)速和以變頻調(diào)速為主、改變?nèi)~片角為輔的方法實(shí)現(xiàn)通風(fēng)風(fēng)量的自動(dòng)調(diào)節(jié)。通風(fēng)機(jī)通過主電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)反風(fēng)。通風(fēng)系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1　變頻通風(fēng)系統(tǒng)組成

2　智能監(jiān)控系統(tǒng)

2.1智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成

智能監(jiān)控系統(tǒng)采用可編程序控制器PLC+上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)模式[2]。PLC部分由機(jī)架、電源模塊、CPU模塊、以太網(wǎng)模塊、通信模塊及輸入輸出模塊等組成。通風(fēng)系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采用KJ95N系列礦井安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)采用工業(yè)計(jì)算機(jī)，通過組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)顯示、故障報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及報(bào)表輸出等。智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。

圖2　智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成

2.2智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件

智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件分為下位邏輯控制程序和上位監(jiān)控顯示程序2個(gè)部分。下位邏輯控制程序利用SIMATICSTEP7軟件編制，由主程序和子程序組成。主程序用于控制配電柜、變頻器等設(shè)備，完成通風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程遙控/自動(dòng)/手動(dòng)(檢修)狀態(tài)下的啟停及風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)。子程序用于實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警控制及風(fēng)電瓦斯閉鎖控制等。其中，風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)以工藝專業(yè)計(jì)算值為系統(tǒng)給定值，通過PLC的PID處理模塊自動(dòng)調(diào)節(jié)控制輸出。盾構(gòu)斜井施工不同風(fēng)筒長(zhǎng)度通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量見表1。風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)框圖如圖3所示。

表1　斜井盾構(gòu)施工不同風(fēng)筒長(zhǎng)度通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量

圖3　風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)框圖

上位監(jiān)控顯示程序采用WinCC組態(tài)軟件編制。該監(jiān)控顯示程序通過與下位PLC控制器通信，實(shí)現(xiàn)控制指令下達(dá)、工作方式選擇、參數(shù)設(shè)置、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、故障報(bào)警及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記錄等功能。

2.3智能監(jiān)控系統(tǒng)功能

2.3.1控制方式

智能監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行方式有遠(yuǎn)程遙控/自動(dòng)/手動(dòng)(檢修)3種：① 遠(yuǎn)程遙控由礦區(qū)數(shù)字化平臺(tái)的監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，即“一鍵啟?！薄＂?自動(dòng)方式，即由PLC程序控制系統(tǒng)各設(shè)備按照預(yù)設(shè)程序自動(dòng)運(yùn)行。③ 手動(dòng)(檢修)時(shí)由人工就地控制，一般是調(diào)試及檢修時(shí)采用。

2.3.2監(jiān)控功能

(1) 參數(shù)監(jiān)測(cè)及存儲(chǔ)。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)：① 通風(fēng)機(jī)主電動(dòng)機(jī)的遠(yuǎn)控、運(yùn)行及故障狀態(tài)、主電動(dòng)機(jī)繞組及軸承溫度；配電裝置的遠(yuǎn)控、分合閘、運(yùn)行及故障等設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。② 各高低壓配電裝置的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電度等電氣參數(shù)。③ 風(fēng)量、負(fù)壓等通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。④ 井筒內(nèi)的甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氧氣等環(huán)境參數(shù)。上述參數(shù)同時(shí)被存儲(chǔ)在上位機(jī)內(nèi)，形成歷史數(shù)據(jù)，方便查詢。

(2) 程控功能。① 通風(fēng)機(jī)的正常啟?？刂?。② 設(shè)備故障時(shí)的報(bào)警及通風(fēng)機(jī)自動(dòng)倒換控制。③ 根據(jù)不同盾構(gòu)長(zhǎng)度的需風(fēng)量及風(fēng)量傳感器采集的反饋值進(jìn)行PID閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的自動(dòng)調(diào)節(jié)[3]。④ 通過組態(tài)軟件，采用圖形及數(shù)字實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)，并進(jìn)行故障報(bào)警。⑤ 聯(lián)鎖控制：通過環(huán)境監(jiān)測(cè)監(jiān)控分站及甲烷傳感器、斷電控制器等完成通風(fēng)機(jī)的啟停與盾構(gòu)機(jī)等用電設(shè)備的聯(lián)鎖控制，實(shí)現(xiàn)“送風(fēng)送電，停風(fēng)停電”的風(fēng)電閉鎖功能，且當(dāng)斜井井筒內(nèi)瓦斯含量達(dá)到斷電值時(shí)，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)等用電設(shè)備必須斷電的瓦斯電閉鎖功能[4]。⑥ 監(jiān)控系統(tǒng)可通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)與礦區(qū)數(shù)字化平臺(tái)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)時(shí)上傳通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程啟停、無人值守、智能運(yùn)行。

3　結(jié)語

煤礦斜井盾構(gòu)施工長(zhǎng)距離獨(dú)頭通風(fēng)智能監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)神華新街臺(tái)格廟礦區(qū)1號(hào)試驗(yàn)斜井盾構(gòu)施工的通風(fēng)要求設(shè)計(jì)的，由于該礦區(qū)因多種礦權(quán)重疊等原因暫緩施工，所以，該智能監(jiān)控系統(tǒng)首先在神華神東補(bǔ)連塔煤礦2號(hào)輔運(yùn)斜井盾構(gòu)施工工程中應(yīng)用，并獲得了成功。應(yīng)用結(jié)果顯示：

(1) 風(fēng)量初期小，后期大，采用變頻調(diào)節(jié)，節(jié)能效果顯著。

(2) 通風(fēng)機(jī)變頻啟動(dòng)運(yùn)行，系統(tǒng)振動(dòng)小、噪聲低，風(fēng)筒使用壽命長(zhǎng)、故障率低。

(3) 風(fēng)量自動(dòng)跟隨調(diào)節(jié)，滿足斜井盾構(gòu)施工供風(fēng)要求。

(4) 智能監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)智能調(diào)節(jié)風(fēng)量，例如當(dāng)瓦斯?jié)舛壬仙催_(dá)到報(bào)警及斷電值時(shí)，自動(dòng)增加風(fēng)量。

該智能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，滿足了施工中的通風(fēng)要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電瓦斯閉鎖，為以后該類施工提供了科學(xué)參考和有效保障，具有示范意義。

[1]姜筱瀛.礦井主通風(fēng)機(jī)節(jié)能調(diào)節(jié)方式探討[J].煤炭工程，2012，44(5)：13-14.

[2]閔磊，陳燎原，王磊，等.PLC控制與組態(tài)技術(shù)在礦用通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械，2012，33(2)：199-200.

[3]閆鑫，萬紫嫣，吳坤，等.礦井主要通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2012，38(3)：66-68.

[4]龔曉燕，薛河，時(shí)磊，等.PLC及組態(tài)王的掘進(jìn)通風(fēng)監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)研究[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32(1)：81-85.

Intelligent monitoring and control system for blind ventilation with longdistanceinshieldconstructionofcoalmineinclinedshaft

ZHANG Dawei,XIN Delin

(CCTEGWuhanDesignandResearchInstitute，Wuhan430064，China)

AnintelligentmonitoringandcontrolsystemwasdesigedwhichtakesPLCascoreforblindventilationwithlongdistanceinshieldconstructionofcoalmineinclinedshaft.Theintelligentmonitoringsystemcanautomaticallyadjustventilatoraccordingtochangeregulationofairflowandpressureofdifferentlengthofventilatingduct.Atthesametime,itcanmonitorenvironmentparameterssuchasCH4,CO,CO2,O2andsoonininclinedshaft,andsendthecollecteddatatominedigitalmanagementplatform.Itensuressafetyofventilationforshieldconstruction.

shieldmethod;shieldconstructionofinclinedshaft;ventilationmonitoring;intelligentmonitoring;PLC

1671-251X(2016)09-0071-03DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.09.017

2016-04-22；

2016-07-19；責(zé)任編輯：胡嫻。

國家科技支撐計(jì)劃子課題(2013BAB10B03-5)。

張大偉(1982-)，男，安徽壽縣人，高級(jí)工程師，主要從事礦山電氣自動(dòng)化研究工作，E-mail：zdw027@163.com。

TD635

B網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-09-02 10:19

張大偉，辛德林.煤礦斜井盾構(gòu)施工長(zhǎng)距離獨(dú)頭通風(fēng)智能監(jiān)控系統(tǒng)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(9)：71-73.