高靜，楊碩

（國能和利時(shí)信息技術(shù)有限公司，北京 100011）

0 引言

礦井通風(fēng)是指將新鮮空氣輸入礦井下，增加氧氣濃度，以稀釋并排除礦井中有毒、有害氣體和粉塵。礦井通風(fēng)的基本任務(wù)是：供給井下足夠的新鮮空氣，滿足人員對(duì)氧氣的需要，沖淡井下有害氣體和粉塵，保證安全生產(chǎn)[1]。主通風(fēng)機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的安全可靠在煤礦安全生產(chǎn)中起著非常重要的作用。通常，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)有以下幾部分，保證在風(fēng)機(jī)發(fā)生事故或者檢修時(shí)的安全生產(chǎn)。

（1）地面風(fēng)道閘門:風(fēng)機(jī)入口前設(shè)垂直閘門，主要用來調(diào)節(jié)風(fēng)量和倒換風(fēng)機(jī)。

（2）通風(fēng)管道:風(fēng)機(jī)風(fēng)道處安裝測(cè)量差壓、靜壓的氣樣管道及流體溫度傳感器。

（3）風(fēng)門絞車:主要來開關(guān)風(fēng)道閘門。

1 集中監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 監(jiān)控范圍

在主通風(fēng)機(jī)集中監(jiān)控系統(tǒng)中，系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括通風(fēng)機(jī)電機(jī)，閘閥，風(fēng)門絞車。而主通風(fēng)機(jī)是井工礦的重要設(shè)備之一，為了保證煤礦通風(fēng)過程安全可控，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口處靜壓，風(fēng)壓，濕度，一氧化碳濃度、風(fēng)速、風(fēng)量等一系列的參數(shù)[2]，便于設(shè)備的工作狀態(tài)能夠被在線遠(yuǎn)程分析和診斷，技術(shù)人員不在現(xiàn)場(chǎng)就可以通過監(jiān)控界面了解生產(chǎn)過程實(shí)際情況，幫助現(xiàn)場(chǎng)第一時(shí)間解決發(fā)生的問題。詳細(xì)監(jiān)控范圍如下：

（1）通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量、風(fēng)速、靜壓、全壓、甲烷濃度等參數(shù)。

（2）實(shí)時(shí)檢測(cè)每臺(tái)風(fēng)機(jī)的電量參數(shù)：電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)。

（3）風(fēng)機(jī)前后軸溫、振動(dòng)情況。

（4）通風(fēng)系統(tǒng)電氣參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)等。

（5）風(fēng)門啟停狀態(tài)，以及該設(shè)備之間的自鎖和互鎖狀態(tài)。

1.2 監(jiān)控目標(biāo)

主通風(fēng)機(jī)集中控制系統(tǒng)體現(xiàn)“安全可靠，功能完善、實(shí)用經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單”的設(shè)計(jì)原則，并定位于煤礦集中監(jiān)控層和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層，完成對(duì)主通風(fēng)設(shè)備及其輔助設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。并通過可視化界面提供的歷史曲線、數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警/日志管理等功能，自動(dòng)分析設(shè)備運(yùn)行情況，提高煤礦的通風(fēng)能力和抗災(zāi)能力，從而實(shí)現(xiàn)主通風(fēng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行自動(dòng)化水平。

1.3 集中監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)

井工礦主通風(fēng)機(jī)集中監(jiān)控系統(tǒng)主要采用典型的3層架構(gòu)，即數(shù)據(jù)采集層、服務(wù)層、界面展示層。數(shù)據(jù)采集層主要提供標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議驅(qū)動(dòng)，將主通風(fēng)機(jī)的主要設(shè)備和輔助設(shè)備的重要狀態(tài)、關(guān)鍵參數(shù)實(shí)時(shí)采集到集中監(jiān)控系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)主通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。其次，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理服務(wù)、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)、報(bào)警日志服務(wù)等對(duì)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、包括壓縮、加密、計(jì)算、存儲(chǔ)。同時(shí)根據(jù)配置的報(bào)警條件實(shí)時(shí)判斷主通風(fēng)機(jī)及輔助設(shè)備是否發(fā)生故障，如果判定發(fā)生故障則對(duì)報(bào)警內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時(shí)推送和存儲(chǔ)，同時(shí)記錄系統(tǒng)所有的變位日志和操作日志，便于事件分析和追溯。最后通過動(dòng)態(tài)特性、趨勢(shì)曲線、多樣化圖表等生動(dòng)直觀的人機(jī)界面對(duì)主通風(fēng)機(jī)及其輔助設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行可視化展示。

圖1 主通風(fēng)機(jī)集中控制系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)

1.4 主通風(fēng)機(jī)自動(dòng)化控制

本文以礦山通風(fēng)系統(tǒng)典型的礦用防爆對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)為例，根據(jù)煤礦井下通風(fēng)需求，設(shè)計(jì)了主通風(fēng)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備程序控制邏輯，并提供可視化操作面板，為實(shí)現(xiàn)主通風(fēng)機(jī)自動(dòng)化控制提供便利。

首先集中監(jiān)控系統(tǒng)控制模式包括兩種，即就地控制/遠(yuǎn)程控制。就地控制即就地操作箱控制方式選擇開關(guān)置于“就地”位，通過就地操作箱上的起、停按鈕對(duì)設(shè)備直接進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制。遠(yuǎn)程控制即操作人員得到授權(quán)后可通過集中監(jiān)控平臺(tái)部署在現(xiàn)場(chǎng)的客戶端，完成礦井主通風(fēng)機(jī)及其輔助設(shè)備的起、停以及運(yùn)行閉鎖、故障解除等控制。遠(yuǎn)程控制和就地控制狀態(tài)的切換需要通過集中控制系統(tǒng)上位機(jī)界面上的虛擬轉(zhuǎn)換開關(guān)或者現(xiàn)場(chǎng)的轉(zhuǎn)換開關(guān)的來控制，就地控制模式的控制級(jí)別高于遠(yuǎn)程控制模式。主通風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)集中控制的前提條件是設(shè)備處于遠(yuǎn)程控制模式。

其次，遠(yuǎn)程控制模式下，設(shè)備包括三種控制方式，分別是單機(jī)控制、半自動(dòng)控制、全自動(dòng)控制。其中單機(jī)控制模式只能對(duì)單個(gè)設(shè)備進(jìn)行控制，半自動(dòng)控制方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一組設(shè)備的順序控制，而全自動(dòng)控制能夠?qū)崿F(xiàn)主備風(fēng)機(jī)之間的一鍵切換。本文著重介紹后兩種控制模式。

半自動(dòng)模式下，可對(duì)設(shè)備進(jìn)行程控，以一號(hào)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)程控為例，啟動(dòng)順序?yàn)?號(hào)垂直風(fēng)門->1#蝶閥->通風(fēng)機(jī)。通風(fēng)機(jī)停止程控順序?yàn)閱?dòng)的逆過程。詳細(xì)過程如下圖所示：

圖2 主通風(fēng)機(jī)半自動(dòng)控制邏輯

全自動(dòng)控制完成主備通風(fēng)機(jī)的一鍵切換，在傳統(tǒng)切換模式下，關(guān)閉1號(hào)主通風(fēng)機(jī)，待1號(hào)主通風(fēng)機(jī)停穩(wěn)后，關(guān)閉1號(hào)風(fēng)路切換風(fēng)門，打開2號(hào)風(fēng)路切換風(fēng)門，再啟動(dòng)2號(hào)主通風(fēng)機(jī)[3]。這種切換過程中往往存在的一些問題，第一，由于設(shè)備啟停需要時(shí)間，所以切換過程種有一段時(shí)間可能導(dǎo)致無風(fēng)，容易造成井下瓦斯超限；第二，如果遇到切換到備用風(fēng)機(jī)的同時(shí)備用風(fēng)機(jī)發(fā)生故障，使得切換失敗，那么需再啟動(dòng)原風(fēng)機(jī)，這個(gè)過程也需要一定的時(shí)間，這也給井下環(huán)境造成一定的安全隱患[4]。而本文采用的主備風(fēng)機(jī)切換方式可以既可實(shí)現(xiàn)停機(jī)不停風(fēng)，也可避免切機(jī)的同時(shí)保障上述第二種情況的發(fā)生。

本文設(shè)計(jì)的兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的切換方法主要包含三個(gè)步驟：

圖3 主通風(fēng)機(jī)全自動(dòng)控制邏輯

第一步：在1號(hào)主通風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提下，打開2號(hào)水平風(fēng)門，并啟動(dòng)2號(hào)主通風(fēng)機(jī)（備用主通風(fēng)機(jī)），實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的熱備[5]。

第二步：1號(hào)主通風(fēng)機(jī)的垂直風(fēng)門和蝶閥依次關(guān)閉，與此同時(shí)打開1號(hào)水平風(fēng)門。再逐步打開2號(hào)風(fēng)機(jī)的垂直風(fēng)門和蝶閥。

第三步：關(guān)閉2號(hào)水平風(fēng)門，當(dāng)2號(hào)主通風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行5分鐘后，停止1號(hào)主通風(fēng)機(jī)，完成兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的無擾切換。

在此期間，當(dāng)啟動(dòng)2號(hào)主通風(fēng)機(jī)時(shí)，如果遇到2號(hào)風(fēng)機(jī)故障，那么直接關(guān)閉2號(hào)水平風(fēng)門，停止切換動(dòng)作，并發(fā)出報(bào)警，等待故障復(fù)歸后方可執(zhí)行風(fēng)機(jī)的一鍵切換控制。

1.5 報(bào)警聯(lián)動(dòng)

主通風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行是為井下提供安全生產(chǎn)環(huán)境的關(guān)鍵，所以主通風(fēng)機(jī)集中控制系統(tǒng)需提供完善的報(bào)警機(jī)制，包括報(bào)警推圖、語音報(bào)警、視頻聯(lián)動(dòng)三個(gè)方面。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到主備通風(fēng)機(jī)都發(fā)生故障停止運(yùn)行5秒后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警“兩臺(tái)風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行”的語音報(bào)警，將通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控主頁面推送至人機(jī)界面最前端，并在通風(fēng)界面中顯示“2臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)停止”醒目字樣，同時(shí)聯(lián)動(dòng)視頻，彈出通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的視頻畫面，便于及時(shí)通知用戶當(dāng)前發(fā)生了重大報(bào)警，并方便用戶觀察設(shè)備周邊的環(huán)境情況，以便以最快的速度響應(yīng)報(bào)警[6]。

圖4 主通風(fēng)機(jī)報(bào)警監(jiān)控界面

1.6 權(quán)限管理

為了系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)采用基于角色的用戶權(quán)限管理的機(jī)制，系統(tǒng)內(nèi)預(yù)先定義好權(quán)限種類，包括狀態(tài)監(jiān)測(cè)、用戶管理、遠(yuǎn)程控制、報(bào)警管理、日志管理、趨勢(shì)查詢等，角色和用戶也可以根據(jù)自身需要進(jìn)行定義。通過限制不同人員的操作權(quán)限，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全。登錄之后操作員擁有自己的訪問級(jí)別，同時(shí)獲取了相應(yīng)的操作權(quán)限。

圖5 主通風(fēng)機(jī)集中控制系統(tǒng)權(quán)限控制原理

同時(shí)系統(tǒng)設(shè)定了訪問時(shí)間，將用戶對(duì)系統(tǒng)的訪問時(shí)間和系統(tǒng)內(nèi)錄入的排班計(jì)劃進(jìn)行綁定，當(dāng)訪問時(shí)間超過計(jì)劃時(shí)間后將自動(dòng)注銷，換班后操作員必須重新登錄后才能對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，否則用戶只能狀態(tài)監(jiān)測(cè)[7]。

2 結(jié)語

本文闡述了一種井工礦主通風(fēng)機(jī)集中控制系統(tǒng)的應(yīng)用方法，敘述了該系統(tǒng)應(yīng)該具備的基礎(chǔ)功能，通過該系統(tǒng)在井工礦中的實(shí)施應(yīng)用能夠完成主通風(fēng)機(jī)及其輔助設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控，以及主備風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定切換，大大提高煤礦的自動(dòng)化水平。完善的報(bào)警機(jī)制和權(quán)限控制策略充分保證主通風(fēng)機(jī)安全可靠運(yùn)行，是礦山安全生產(chǎn)的重要手段。到目前為止，該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在多個(gè)煤礦，也具備較廣闊的應(yīng)用前景，能夠拓展應(yīng)用至更多的煤礦。