陳夏明

（霍州煤電汾河焦煤公司三交河煤礦， 山西 霍州 031400）

1 煤礦機(jī)械工作環(huán)境應(yīng)急控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

以粉塵爆炸為例的危險(xiǎn)性緊急情況前后控制在煤炭開(kāi)采領(lǐng)域一直以來(lái)受到高度的重視。Shakhtinskaya礦（2004年），Lenin礦（2006年）和Abaiskaya礦（2008年）三起嚴(yán)重事故在哈薩克斯坦奪走了90多名礦工的生命。其他國(guó)家也面臨這樣的擔(dān)憂：俄羅斯Ul'yanovskaya和Yubileinaya礦山（2007年）年爆炸后140多人死亡，此外，在中國(guó)，每年有數(shù)千名礦工都會(huì)通過(guò)空氣和甲烷混合物爆炸而死亡[1-2]。應(yīng)急前后控制系統(tǒng)（PECS）包含礦山的工作運(yùn)行環(huán)境控制和環(huán)境電器設(shè)備控制，設(shè)計(jì)了和飛機(jī)相似的“黑匣子”來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖像的記錄，以此來(lái)降低煤礦事故率。PECS的主要目的是在礦山技術(shù)區(qū)域采取、記錄和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)參數(shù)，這對(duì)于事故發(fā)生前后的處理是非常重要的。

根據(jù)對(duì)煤礦事故的調(diào)查和長(zhǎng)期一線工作的經(jīng)驗(yàn)，以下性能標(biāo)準(zhǔn)是為本文系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的：

1）在緊急情況下，自主運(yùn)行模式長(zhǎng)期存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；

2）事故發(fā)生前、事故中和事故后系統(tǒng)可有效運(yùn)行；

3）內(nèi)置起動(dòng)器設(shè)備，用于傳輸電氣設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)變量；變電站內(nèi)的低壓電網(wǎng)將應(yīng)急操作條件數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇ECS的中央單元中；

4）自動(dòng)切換到斷電狀態(tài)下的備用電池供電，并提升充電電量標(biāo)準(zhǔn)操作條件；

5）在PECS的中央控制單元（CCU）的外殼面上分配傳感器，測(cè)量傳播的沖擊波，通過(guò)壓力，聲音可靠地確定沖擊波的方向和光參數(shù)；

6）遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)讀出。如果可能的話，將傳感器安裝在CCU的防爆外殼內(nèi)；

7）PECS的中央控制單元（CCU）安裝在礦區(qū)最危險(xiǎn)的地區(qū)，布置在壁交匯處和通風(fēng)處（在長(zhǎng)壁中只需要安裝2個(gè)CCU）；

8）連續(xù)記錄非正常情況下的參數(shù)和電氣設(shè)備性能特性。

2 煤礦機(jī)械工作環(huán)境應(yīng)急控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1示意性地顯示出了具有CCU的PECS、內(nèi)置設(shè)施功率控制單元（FPCU）防爆起動(dòng)器（EPS）、礦井空氣傳感器和低壓配電數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。甲烷濃度超標(biāo)是最常見(jiàn)的礦井爆炸原因，包括有缺陷的電氣設(shè)備，或電動(dòng)火花設(shè)備在違背操作規(guī)定的情況下與開(kāi)放式外殼一起運(yùn)行。所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)具有電氣設(shè)備運(yùn)行和礦區(qū)生產(chǎn)并行控制運(yùn)行特點(diǎn)。因此，PECS包括礦區(qū)機(jī)械控制子系統(tǒng)、電氣設(shè)備控制子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)子系統(tǒng)。

圖1 煤礦機(jī)械和環(huán)境應(yīng)急控制系統(tǒng)（PECS）設(shè)計(jì)示意圖

電氣設(shè)備控制子系統(tǒng)負(fù)責(zé)檢查起動(dòng)器和礦場(chǎng)內(nèi)的配電設(shè)備，即電力供應(yīng)或切斷，電纜完整性和非法接入電力設(shè)備。受控制的礦區(qū)參數(shù)為CH4、CO、CO2、H2和O2濃度?；馂?zāi)爆發(fā)通常伴隨著更高的溫度、聲音和沖擊波，因此，子系統(tǒng)提供礦井壓力控制、光控（主要在紅外領(lǐng)域）、聲學(xué)和溫度控制、CCU過(guò)驅(qū)動(dòng)和重新定位控制。PECS的中央控制單元（CCU）擁有記錄信息的非法訪問(wèn)記錄器。礦區(qū)傳感器布置在內(nèi)部CCU，來(lái)自礦區(qū)傳感器的數(shù)據(jù)被處理并存儲(chǔ)在CCU中。主體數(shù)據(jù)量巨大，只有當(dāng)前數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)才會(huì)記憶和存儲(chǔ)信息，另外，數(shù)據(jù)在1 h周期內(nèi)進(jìn)行循環(huán)替換。在正常運(yùn)行中，電力設(shè)備的當(dāng)前參數(shù)在FPCU中連接到CCU進(jìn)行處理，并記錄任何與換向有關(guān)的事件，即電壓上升或切斷或開(kāi)啟機(jī)動(dòng)外殼，或者與最新測(cè)量數(shù)據(jù)相關(guān)的礦井空氣特性的任何變化。電力設(shè)備的緊急狀態(tài)意味著切斷所有電纜的電壓、設(shè)備或啟動(dòng)器開(kāi)放式外殼供電、立即進(jìn)入防爆設(shè)備啟動(dòng)態(tài)。鑒于上述任何一種情況，PECS本身就會(huì)切換為自我維持供應(yīng)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，在幾天內(nèi)維持CCU和FPCU的自我持續(xù)運(yùn)行。PECS必須在一次意外幾天之后保持相同的自我持續(xù)運(yùn)作模式。礦區(qū)緊急狀態(tài)參數(shù)由CCU中的專用程序進(jìn)行分析并確定沖擊波最可能發(fā)生的方向或火花源的位置。電力數(shù)據(jù)在事故發(fā)生期間和事故發(fā)生后的設(shè)備運(yùn)行都被處理并存儲(chǔ)在FPCU中。所有單位模塊以最快速度記錄，記錄當(dāng)前時(shí)間并將數(shù)據(jù)保存在非易失性存儲(chǔ)器中并在1 h周期內(nèi)更換數(shù)據(jù)[3-4]。

當(dāng)相同的記錄模式持續(xù)受到?jīng)_擊，保存在CCU存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)可以被讀出是很重要的。PECS設(shè)計(jì)能夠承受甲烷和空氣混合物的爆炸，同時(shí)，PECS機(jī)房必須具有較高的機(jī)械強(qiáng)度。選用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸通道可以達(dá)到這個(gè)效果。感應(yīng)通信通道維持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的電磁場(chǎng)的磁分量，即使設(shè)備在事故發(fā)生后被埋在煤下，也能通過(guò)設(shè)備外殼傳輸。

無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸在事故發(fā)生后作為“信標(biāo)”來(lái)尋找設(shè)備。在正常采礦條件下，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸允許PECS的周期性檢測(cè)到可能的危險(xiǎn)行為。啟動(dòng)器控制發(fā)射器設(shè)備，電壓狀態(tài)快速脫開(kāi)輔助觸點(diǎn)的位置，通過(guò)PECS的中央控制單元（CCU）實(shí)現(xiàn)電流特性的低壓網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程指示。啟動(dòng)器狀態(tài)的遠(yuǎn)程指示使用啟動(dòng)器的電源線供能。

PECS存儲(chǔ)子系統(tǒng)積累來(lái)自位于CCU內(nèi)部或外部的各種模擬和離散傳感器的數(shù)據(jù)（內(nèi)置防爆外殼）。內(nèi)部傳感器重復(fù)主要的目的是傳感器在爆炸下無(wú)法正常工作。電氣和火花安全饋電電路和所有接口通過(guò)使用電隔離連接外部傳感器來(lái)保證。在子系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)操作中，為了在FLASH存儲(chǔ)器中提供足夠的空間，數(shù)據(jù)保存時(shí)間是5 min。

與世界上已知的控制系統(tǒng)不同，PECS系統(tǒng)通過(guò)完成集成，在正常、事故前和事故后模式下控制礦井空氣和電氣設(shè)備檢查礦址設(shè)備的電源，并在所有防爆外殼內(nèi)進(jìn)行檢查并將關(guān)于起動(dòng)器和設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸給CCU。PECS在事故中記錄礦井空氣和電氣設(shè)備的特點(diǎn)，并通過(guò)有關(guān)壓力、聲音和光線的數(shù)據(jù)確定沖擊波的可能方向。事故發(fā)生后，PECS保持對(duì)該事件幾天內(nèi)的礦區(qū)參數(shù)的控制和記錄，用于防止重復(fù)的火災(zāi)和爆炸。該系統(tǒng)具有通過(guò)系統(tǒng)金屬外殼無(wú)線感應(yīng)式數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，即可同時(shí)作為事故發(fā)生后發(fā)現(xiàn)CCU的線索。

3 結(jié)語(yǔ)

在制定了PECS的基本標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)煤礦電氣設(shè)備和空氣狀況進(jìn)行持續(xù)綜合治理防治系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在緊急情況下，該系統(tǒng)運(yùn)行和記錄在事故和事故后模式中的礦區(qū)參數(shù)。本系統(tǒng)可以很好地適應(yīng)于現(xiàn)行的煤礦行業(yè)。