煤炭资源是我国最重要的能源资源之一,我国近年来的经济发展迅速,对能源资源的需求量也越来越大。虽然以光伏发电、风力发电、核电等为代表的新能源技术应用不断提高,但在我国每年能源资源的消耗占比中,煤炭资源仍然占到了60%以上,是支撑我国经济发展的“主动力”。我国的煤炭资源大部分都埋藏在地下,开采过程十分危险,是安全生产事故的高发行业,且一旦发生事故,由于条件限制,无法及时救援,事故伤亡率很高[1]。据统计,煤矿安全生产事故中约有一半是由于瓦斯事故引起的。因此,需要在日常生产活动中充分重视安全生产,降低事故概率。煤矿通风系统是煤矿生产中的一个重要子系统,是矿井安全生产的保证,可以将新鲜空气送至地下各用风点,并且排出煤矿开采中产生的有害气体,保障井下作业人员的身体健康。通风机是煤矿通风系统的主要设备,其工作状态直接影响整个通风系统的通风效果,因此在煤矿通风系统中对通风机实施监控是十分必要的。
煤矿通风系统是由通风动力装置、风路、控制系统及风流检测系统组成的,其作用是以最优的方式不断将新鲜空气提供给井下各用风点,并排出瓦斯等有害气体,稀释粉尘,降低井下温度,保证井下作业人员的安全生产环境,在发生事故的时候,要能及时控制风向及风量,起到减灾作用[2]。
煤矿通风系统中的通风动力装置一般指通风机,是通风系统中最重要的设备,能够为空气提供动力,目前最常见的是轴流式风机。通风机在运行过程中可能会出现故障,一旦故障无法及时发现并排除,可能会使主风机停风,若无法及时启动备用风机,整个煤矿通风系统可能会停止运转,造成事故。随着科技的发展,通风机的自动化程度越来越高,在线监控与诊断系统可以及时发现通风机运转中的问题并提示技术人员尽快维修,对通风机乃至整个通风系统的正常运转是十分必要的[3]。通风机监控系统通过监控通风机的轴承温度和振动信号,风量与压力信号,对通风机的运行状态进行实时监控,当轴承温度异常或振动频率突变时,表明通风机内部异常,需要进行隐患排查。
通风机在线监控系统的主要目的是实时对主通风机进行监控,提早发现通风机故障隐患,并初步分析出故障原因,为技术人员提供一手数据。
该系统最基础的功能是数据采集和上传功能,可以将通风机上安装的传感器的信号进行采集,并将主要参数同步显示在现场级显示器上和远程监控室内,使监控人员能够直观了解通风机的工作状态,传感器布置如图1所示。
该系统具有报警功能。通风机在发生故障时,一般表现为轴承温度和振动频率异常,因此需要对通风机的轴承温度和振动频率进行实时监控。例如滚动轴承的正常工作温度一般不会超过70℃,因此设定报警温度为72℃,当任意轴承的温度超过报警温度时,系统在监控室和设备现场同时发出声光警报,并且只能在设备现场才能对报警信息进行复位。
该系统还具有简单的故障诊断功能,但必须由技术人员事先对可能出现的故障进行分析,并将故障判别条件输入系统中。例如当水平振动信号和垂直振动信号振幅不同且相位差不是90°,振幅随转速加大而加大,振动频率基本不变并伴随有2倍振频出现时,根据系统内置判断逻辑,认为可能产生了转子不平衡的故障,发出警报并提示监控人员故障原因。
该系统还能存储已经采集的数据,构建数据库,当通风机发生故障时,技术人员可以随时调阅故障前后指定时间段的各项运行参数,分析故障原因,并且可以将该故障产生后通风机运行参数的变化进行总结归纳,设置判别条件,输入系统中,不断完善故障诊断库,当下次相同故障发生时,系统即可自动识别。
该系统已广泛应用于各大煤矿,是提高煤矿通风系统安全性的重要措施之一[4]。
目前常见的通风机监控系统所采集的信号基本一致,其主要区别在于使用不同的控制系统,主要有分布式控制系统、现场总线控制系统和工业以太网控制系统三种[5]。
分布式控制系统是一种多级控制系统,可以使分散的设备进行通讯,并对各个设备进行管理。分布式控制系统主要由现场级、过程控制级、操作监控级和信息管理级四级构成,实现设备的集中控制和分散管理分布式管理系统的控制功能非常完善,可以根据不同的需要嵌入不同的计算机算法,达到设定的控制效果,并且具有很好的开放性,利用工业交换机进行实时通讯,只需要增加网线连接即可扩展控制规模。分布式控制系统灵活性好,根据不同的控制要素可以编制不同的控制画面,简单直观地显示当前设备状态,维护简单,当局部出现问题时,不影响整个系统的正常运行,其结构图如图2所示。
总线控制系统广泛应用于工业领域中,是自动化领域的一个标志。现场总线控制系统的形式主要是将分散在现场对设备监控信号的传感器、测量仪表等视为独立的网络节点,利用总线连接形式与监控计算机连接起来,其结构图如图3所示。
总线控制系统上的现场设备可以进行点对点、点对多的串口双向通讯,无需敷设反向电缆,并且电缆的抗干扰能力强,传输稳定性好。总线控制系统可以实现全数字化通信,并且可以与任何通讯标准一致的设备相连,且各设备间可以互相通信,互相控制。在分布式控制系统的基础上,将控制功能下放到现场级,即设备由自身的控制系统进行控制,上位机只负责监控其运行状态。
工业以太网控制系统是一种全新的工业控制系统,由于其传输效率高,屏蔽效果好,在工业领域的应用越来越广泛。以太网控制系统结合TCP/IP服务、UDP服务等通信方式,其应用范围逐渐由控制网络的高层环节向中间层和现场层发展。
工业以太网控制系统的通讯速率相对总线的通讯速率要快很多,达到7-8倍左右,对于大量数据的传输可以保证传输时间与反应时间,避免通讯拥堵,并且以太网的兼容性更好,可以在任何接入以太网的设备上轻易实现信息的读取,是未来控制系统的发展方向。
煤矿通风系统的正常运转是煤矿安全生产的必要条件,是井下作业人员生命健康的保障,一旦系统发生故障导致停风,可能会引起瓦斯爆炸等严重事故,造成人员伤亡和经济损失。为了能够避免这样的情况发生,通风机在线监控系统逐渐被应用到煤矿通风系统中,通过布置在通风机上的温度、振动等传感器,通过分布式控制系统、总线控制系统及以太网控制系统等方式实时监控通风机运行状态并及时对通风机出现的异常快速反应,已经成为煤矿通风安全系统中不可或缺的重要组成部分。
摘要：煤矿通风系统肩负着抽取井下有害气体,降温除尘,输送新鲜空气,保障井下作业顺利进行的作用,是煤矿生产中十分重要的系统。通风机是通风系统中的动力装置,直接决定了通风系统的运转是否正常,因此对通风机进行实时监控,尽早发现故障隐患并及时排除是十分必要的。通风机在线监控系统具有数据采集和上传、报警及故障诊断功能,已广泛应用到各大煤矿,提高煤矿通风系统安全运行的可靠性。
关键词：通风机,在线监测,煤矿通风系统,通风安全
[1] 李豹.矿井通风在煤矿安全生产中的重要性[J].石河子科技,2020(06):12-13.
[2] 郭鹏宇.矿井通风设施常见故障分析与处理措施探究[J].能源与节能,2020(11):97-98.
[3] 刘磊.大型矿井主通风机智能监控系统研究[D].中国矿业大学,2019.
[4] 何家仁.矿井通风系统可靠性预测分析与监测设计[D].杭州电子科技大学,2018.
[5] 李喆.矿井主通风机监控系统的设计[D].太原科技大学,2017.
推荐阅读：
自动控制技术在煤矿通风系统中的应用05-11
试论自动化技术在煤矿通风中的应用09-10
风机盘管在地铁通风空调系统中的应用分析09-12
煤矿在用主通风机系统安全检测检验实践研究11-03
煤矿通风系统优化06-10
试论煤矿矿井通风安全控制中的影响因素09-13
自然通风在现代建筑设计中的应用09-10
浅谈建筑自然通风在设计中的应用09-11
煤矿安全通风05-30
