CN110067764B - 一种煤矿局部通风机远程切换与智能调控装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种煤矿局部通风机远程切换与智能调控装置及控制方法，由地面监控中心、工业以太网通信***、局部通风机变频监控***和掘进工作面环境监控***组成；地面监控中心由中心站和服务器组成；工业以太网通信***由光纤网络、以太网模块与交换机组成；风机变频监控***由风机工况监测传感器、监控分站和变频控制组件组成；掘进工作面环境监控***由通风参数监测传感器、监控分站组成。***通过远程连续点动式切换局部通风机，实现局部通风的无人值守；通过掘进工作面监测数据，分析预测需风量，建立掘进工作面最佳的风量供需匹配模型，根据局部通风机特性曲线库，实时查找所需的运行频率，进行智能化调控，实现局部通风远程可视化与安全节能化。
Description
技术领域
本发明属于煤矿通风***风量调控领域，尤其涉及一种煤矿局部通风机远程切换与智能调控装置及控制方法。
背景技术
矿井通风***是煤矿安全生产最重要的***之一，它不仅能够为井下工人源源不断的输送氧气，而且也是稀释和排出井下有毒有害气体最有效的手段，合理的矿井通风***是井下工人安全健康劳动和防灾抗灾的重要保障。煤矿井下的环境是时刻变化的，所以要求供风***也动态变化。局部通风地点是双风机、双电源供电，以及风电闭锁、瓦斯电闭锁的安全防护措施，但目前矿井都采用人工到局部工作面的方式去切换风机，不仅所需时间长，生产效率比较低，而且出现事故的机率比较大。本发明能够实现对局部通风机的远程自动切换，在地面可以实时监控通风机的运行状态，一旦风机故障，能够及时切换，保证掘进工作面的安全生产，持续不断的生产，提高生产效率。
国内外矿井一般采用人工的方式去采集局部通风参数，工作量非常巨大。这样不仅浪费大量的人力财力，而且很难准确的获得局部通风参数，工作人员也很难及时的发现存在的安全隐患，从而增加了安全隐患转向事故的概率。目前，掘进工作面还是通过“一风吹”的方式向工作面供风，不仅浪费大量的电力资源，而且也存在许多的安全隐患，随着现代科技的发展，将煤矿监测监控***与计算机技术、PLC控制技术、风量智能调控技术、调节分支的优化选择算法、智能化软件开发等多个领域知识有机结合到一起，针对不同条件下需风量的变化，分析局部通风机变频和风阻调节方法，建立适当的风量调节理论模型，研究调节过程中通风***的稳定性和可靠性检验方法，实现对需风量的超前研判，保障生产过程中风量调节的稳定性。为了适应煤炭市场经济发展需求，减少我国煤矿重特大事故的发生，高产高效集约化矿井的建设是我国煤炭发展的必然趋势，矿井的安全绿色的开采是我们奋斗的目标，煤矿的通风***异常的智能调控理论与技术成为提高通风***防灾减灾能力研究的重点方向，目前的变频器调节是阶段性的调节，并且没有和智能化风量调节联系起来；目前的局部风阻调节大都是人工去调节，且仅仅是局部风量的机械自动化调节，并未形成全风网***的智能化***的调节。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种方法简便，灵敏度高，使用效果好的煤矿局部通风机自动切换与智能调控装置及方法，将煤矿监测监控***与计算机技术、PLC控制技术、风量智能调控技术、调节分支的优化选择算法、智能化软件开发等多个领域知识有机结合到一起，实现了***通过远程连续点动式切换局部通风机，实现局部通风的无人值守；通过掘进工作面监测数据，分析预测需风量，建立掘进工作面最佳的风量供需匹配模型，根据局部通风机特性曲线库，实时查找所需的运行频率，进行智能化调控，实现局部通风远程可视化与安全节能化，可以有效防治各类通风异常导致的灾害事故。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案
一种煤矿局部通风机远程切换与智能调控装置，包含地面监控中心、工业以太网通信***、井下局部风机变频监控***和井下掘进工作面通风监控***；
其中，井下掘进工作面通风监控***，用于实时监测井下掘进工作面通风与环境参数，研判与预测需风量，确定工作面供需匹配模型；
井下局部风机变频监控***，用于实时监测局部风机的运行工况参数，完成对局部风机运行频率调控；
工业以太网通信***，用于将获取的井下掘进工作面的环境参数、通风参数、局部风机的运行工况参数以及地面监控中心的控制指令进行传输；
地面监控中心，用于实时监控整个煤矿所有掘进工作面局部风机的运行参数，通风异常时快速地实现远程切换与智能调控，恢复安全状态，无法排除异常时报警。
作为本发明一种煤矿局部通风机远程切换与智能调控装置及方法的进一步优选方案，所述井下掘进工作面通风监控***包括井下监控分站、通风参数监测模块、环境参数采集模块；
井下监控分站，用于实时监测井下通风网络分支的环境参数和通风参数；
通风参数监测模块，用于实时监测井下通风网络分支的通风参数，所述通风参数包括风速、风压、干湿空气温度；
环境参数采集模块，用于实时监测井下通风网络分支的环境参数，所述环境参数包含CH4浓度、CO浓度、O2浓度、CO2浓度和温度。
作为本发明一种煤矿局部通风机远程切换与智能调控装置及方法的进一步优选方案，所述井下局部风机变频监控***包含风机运行工况监测传感器、监控分站和变频控制组件，
局部风机运行工况监测传感器，用于实时采集风机的运行工况参数；所述运行工况参数包括：风量、温度、大气压、负压、全压、差压、转速、轴温传感器，电流、电压、功率、效率；
监控分站，用于实时监测局部风机的运行工况参数；
变频控制组件，用于调控局部风机的运行频率。
作为本发明一种煤矿局部通风机远程切换与智能调控装置及方法的进一步优选方案，所述地面监控中心包含PLC控制器、以太网通信模块、掘进工作面通风参数显示终端和服务器；
其中，局部通风参数显示终端，用于实时显示全矿多个掘进工作面的局部通风***运行参数；
PLC控制器，用于对接收的全矿多个掘进工作面的局部通风***运行参数并进行预处理；
以太网通信模块，用于地面监控中心与工业以太网通信***的数据传输；
服务器，用于安装应用软件和功能软件，为用户提供服务。
一种基于煤矿局部通风机远程切换与智能调控装置的控制方法，具体包含如下步骤；
步骤1，定时实现局部通风机连续点动式远程自动切换，并实时监测记录切换过程，实现多组局部通风机的无人值守；切换异常时，***通过井下报警与地面远程报警相结合告知异常情况；
步骤2，通过井下多个掘进工作面局部通风***监测的环境与通风参数，局部风机监控***采集的运行工况参数，并通过工业以太网通信***传输给地面监控中心，实现井下所有掘进工作面通风状态的远程实时监测与预警分析；
步骤3，当井下掘进工作面局部通风***监测的环境参数和通风参数异常时，则将异常掘进工作面的环境参数、通风参数传输至地面监控中心，并发出报警；
步骤4，地面监控中心根据井下掘进工作面的环境参数和通风参数，通过分析确定计算出工作面的最佳需风量，根据Q-F特性模型确定排除异常的局部风机调控方案；同时，服务器运用数据库中预置的通风模型和监测的通风参数进行风机运行状态的安全性检验，实现调节方案的超前模拟，仿真验证拟定的调节方案，保障调节过程的安全；若计算局部风机频率调至50HZ扔无法排除异常瓦斯涌出时，则立即报警采取其他措施；
步骤5，常态下的局部通风***节能减排的调控方案具体如下：
统计掘进工作面瓦斯监控数据，确定瓦斯涌出量最大值W0，风机工作频率f0，风机的抽风量为Q0，定义当前状态的瓦斯涌出量最大值为WN，风机工作频率为fN，后一小时的风机工作频率为fT，设定的瓦斯浓度预警值c0＝0.5％；提出5种瓦斯与风机频率联动调节规则，满足后一小时不同瓦斯涌出的变频自动调风稀释，具体如下：
(1)调节规则1：若当前状态瓦斯涌出量增大值(WN-W0)∈[0,0.5M0]，则风机频率fN＝f0；后一小时的风机频率初始值fT＝f0；
(2)调节规则2：若当前状态瓦斯涌出量增大值(WN-W0)∈(0.5M0，0.9M0]，则当天的风机频率fN＝f0，后一小时风机频率初始值fT上调，其增加风量可稀释瓦斯涌出增量大于0.5M0值；
(3)调节规则3：若当前状态瓦斯涌出量增大值(WN-W0)＞0.9M0，则风机频率必须上调为f'N，通过增大风量稀释异常涌出的瓦斯；如果掘进工作面浓度ci≤c0＝0.5％，则后一小时风机频率初始值fT＝f'N；如果风机调频后掘进工作面浓度ci≥c0＝0.5％，需要采取其他措施治理掘进工作面瓦斯；。
(4)调节规则4：若当前状态瓦斯涌出量降低值(W0-WN)∈[0,0.9M0]，则当前状态风机频率fN＝f0；则后一小时风机频率初始值fT＝f0；
(5)调节规则5：如果当前状态瓦斯涌出量降低值(W0-WN)＞0.9M0，且持续时长超过2h，则当前状态风机频率就要下调为f”N，以实现节能降耗的目的；则后一小时风机频率初始值fT＝f”N。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明克服已有技术中的不足之处，将煤矿监测监控***与计算机技术、PLC控制技术、风机变频调控技术、调节分支的优化选择算法、智能化软件开发等多个领域知识有机结合到一起，实现局部通风异常时期的风网智能化调节与控制；矿井局部通风机远程自动切换与智能调控装置通过井下传感器、井下分站采集的参数来确定供风量的多少，避免了现有风机供风“一风吹”现象，从而解决矿井局部通风按需供风的问题。***从安全和节能的要求出发，采用PLC与变频器组合而成的控制***，对风机转速实时调控，达到“远程监测预警、人机控制相结合、按需供风智能调控”的效果，从而使矿井局部通风机实现远程自动切换、节能减排、按需供风、防灾减灾的功能。
2、针对煤矿井下局部通风机与备用风机定期切换的问题，提出采用煤矿监测监控技术和计算机技术、PLC控制技术，实现远程连续点动式切换局部通风机，实现局部通风的无人值守；通过掘进工作面监测数据，分析预测需风量，建立掘进工作面最佳的风量供需匹配模型，根据局部通风机特性曲线库，实时查找所需的运行频率，进行智能化调控，实现局部通风远程可视化与安全节能化，可以有效防治各类通风异常导致的灾害事故。
附图说明
图1是本煤矿局部通风机远程切换与智能调控装置示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
根据现有技术存在的局限，我们研制出一种煤矿局部通风机远程切换与智能调控装置。该装置将煤矿监测监控***与计算机技术、PLC控制技术、风机变频调控技术、调节分支的优化选择算法、智能化软件开发等多个领域知识有机结合到一起。实现了既可以根据掘进面通风状态进行远程点动式切换局部通风机与备用风机，又可以根据传感器监测的通风参数的变化、通风设施的运行状态、局部风机的运行参数以及局部通风参数，经过井下分站统计的数据，智能软件能够对各个局部通风参数作出正确研判，从而发现异常风量，通过服务器对数据库中预置的通风参数模型和监测到的通风参数进行对比分析，并且进行高速的迭代解算，能够智能计算出通风参数异常的解决调控方案，并进行安全验算、仿真验证后，提醒地面监控中心站的工作人员进行调节风量，自动的通过调节通风设施和局部风机电机频率，使风量满足需要，从而达到安全的状态。该装置还可以实现通风方案的超前模拟，对可能发生的风量异常情况进行预警。煤矿局部通风机远程切换与智能调控装置实现了远程自动切换、节能减排、按需供风、防灾减灾的功能，可以有效的防止因通风异常导致的矿井灾害事故的发生。
具体方案如下：
如图1所示，一种煤矿局部通风机远程切换与智能调控装置及方法，由地面监控中心、工业以太网通信***、局部通风机变频监控***和掘进工作面环境监控***组成；地面监控中心由中心站和服务器组成；工业以太网通信***由光纤网络、以太网模块与交换机组成；风机变频监控***由风机工况监测传感器、监控分站和变频控制组件组成；掘进工作面环境监控***由通风参数监测传感器、监控分站组成。***通过远程连续点动式切换局部通风机，实现局部通风的无人值守；通过掘进工作面监测数据，分析预测需风量，建立掘进工作面最佳的风量供需匹配模型，根据局部通风机特性曲线库，实时查找所需的运行频率，进行智能化调控，实现局部通风远程可视化与安全节能化。
当监测到通风异常时，服务器对数据库中预置的通风参数模型和监测到的通风参数进行对比分析，并且进行高速的迭代解算，能够智能计算出通风参数异常的解决调控方案，并进行安全验算、仿真验证调节方案后，实时监测通风网络智能调节过程的通风参数和排除异常的效果。
所述的地面监控中心由PLC控制器、EM243以太网通信模块、掘进工作面通风参数显示终端和上位机服务器组成。PLC控制器，选择西门子PLC S7-200系列，包括S7-224，S7-226，S7-231，S7-232；以太网通信模块，选择S7-243与井下千兆以太网交换机连接；掘进工作面通风参数显示终端，通过编制人机友好窗体将通风参在服务器终端进行实时显示；服务器，选择研华RICH-300B系列工控机。
所述的掘进工作面环境监控***包括井下监控分站、掘进通风参数监测模块、环境参数采集模块和局部通风设施控制模块。井下环境参数采集模块包括温度传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、氧气传感器、瓦斯浓度传感器。环境参数采集模块包括各分支上的温度传感器、风速传感器、负压传感器、干湿球温度传感器。可以采集甲烷、一氧化碳、二氧化碳、温度等环境参数，掘进巷道的风速(风量)、负压、干湿球温度等通风参数，并可根据指令控制井下通风设施的状态。局部通风设施控制组件包括用于控制通风设施开关状态的动力装置和监测传感器。
所述的工业以太网通信***包括光纤网络、以太网模块与交换机。该以太网通信网络***的传输介质为光纤，为环形组网结构。
所述的局部风机变频监控***包含风机运行工况监测传感器、监控分站和变频控制组件。风机的运行工况参数监测模块包括各分支上的风速传感器、风压传感器、动压传感器、静压传感器、差压传感器、轴温传感器、转速传感器等，采用EM231模块进行采样监测；以及电流、电压、功率、效率等电机参数主要采用EDA9033模块进行采样监测；风机变频控制组件主要采用EM232模块和传递函数(PID)调节模型控制和调节风机的变频器。
所述的风速传感器其型号为：GFW15型，矿用本质安全型。
所述的瓦斯传感器其型号为：GJ40A型，ExibdⅠ矿用本质安全兼隔爆型，其能连续自动地将甲烷浓度值转换成标准电信号传送给关联设备，检测范围为0.00％—40.0％。
所述的一氧化碳传感器其型号为：GTH1000型，ExibI本质安全型，其测量范围为0～1000ppm，该传感器的响应时间应不大于30s，防护等级为IP54。
具体工作原理如下：
步骤1，按照《煤矿安全规程》第一百六十四条规定每天应当进行一次正常工作的局部通风机与备用局部通风机自动切换试验，试验期间不得影响局部通风，试验记录要存档备查。通过该***的研制，定时实现局部通风机连续点动式远程自动切换，并实时监测记录切换过程，实现多组局部通风机的无人值守；切换异常时，***通过井下报警与地面远程报警相结合告知异常情况。
步骤2，通过井下多个掘进工作面局部通风***监测的环境与通风参数，局部风机监控***采集的运行工况参数，并通过工业以太网通信***传输给地面监控中心，实现井下所有掘进工作面通风状态的远程实时监测与预警分析；
步骤3，当井下掘进工作面局部通风***监测的环境参数和通风参数异常时，则将异常掘进工作面的环境参数、通风参数传输至地面监控中心，并发出报警；
步骤4，地面监控中心根据井下掘进工作面的环境参数和通风参数，通过分析确定计算出工作面的最佳需风量，根据Q-F特性模型确定排除异常的局部风机调控方案；同时，服务器运用数据库中预置的通风模型和监测的通风参数进行风机运行状态的安全性检验，实现调节方案的超前模拟，仿真验证拟定的调节方案，保障调节过程的安全；如果计算局部风机频率调至50HZ扔无法排除异常瓦斯涌出时，立即报警采取其他措施。
步骤5，常态下的局部通风***节能减排的调控方案具体如下：
根据煤矿现场实测统计的掘进工作面瓦斯涌出规律，提出了基于瓦斯涌出量监测和风机变频调风稀释瓦斯的智能调风方法。为了避免风机工作频率调节过于频繁，提出以小时为单位进行研判和调节，实现掘进工作面瓦斯涌出的动态治理与风量的供需匹配。统计掘进工作面瓦斯监控数据，确定瓦斯涌出量最大值W0，风机工作频率f0，风机的抽风量为Q0。《煤矿安全规程》第一百三十六条：采区回风巷、采掘工作面回风巷风流中瓦斯浓度超过1.0％时，必须停止工作，撤出人员，采取措施，进行处理。因此，我们设定瓦斯浓度0.5％为日常管理预警值，0.5％Q0与瓦斯涌出量最大值W0进行比较的差值称为风机调节的富余量M0。定义当前状态的瓦斯涌出量最大值为WN，风机工作频率为fN，后一小时的风机工作频率为fT，设定的瓦斯浓度预警值c0＝0.5％。提出5种瓦斯与风机频率联动调节规则，满足后一小时不同瓦斯涌出的变频自动调风稀释：
(1)调节规则1：如果当前状态瓦斯涌出量增大值(WN-W0)∈[0,0.5M0]，则风机频率fN＝f0；后一小时的风机频率初始值fT＝f0。
(2)调节规则2：如果当前状态瓦斯涌出量增大值(WN-W0)∈(0.5M0，0.9M0]，则当天的风机频率fN＝f0，后一小时风机频率初始值fT上调，其增加风量可稀释瓦斯涌出增量大于0.5M0值。
(3)调节规则3：如果当前状态瓦斯涌出量增大值(WN-W0)＞0.9M0，则风机频率必须上调为f'N，通过增大风量稀释异常涌出的瓦斯。如果掘进工作面浓度ci≤c0＝0.5％，后一小时风机频率初始值fT＝f'N；如果风机调频后掘进工作面浓度ci≥c0＝0.5％，需要采取其他措施治理掘进工作面瓦斯。
(4)调节规则4：如果当前状态瓦斯涌出量降低值(W0-WN)∈[0,0.9M0]，则当前状态风机频率fN＝f0；后一小时风机频率初始值fT＝f0。
(5)调节规则5：如果当前状态瓦斯涌出量降低值(W0-WN)＞0.9M0，且持续时长超过2h，则当前状态风机频率就要下调为f”N，以实现节能降耗的目的。后一小时风机频率初始值fT＝f”N。
Claims (1)
1.一种煤矿局部通风机远程切换与智能调控装置，其特征在于：包含地面监控中心、工业以太网通信***、井下局部风机变频监控***和井下掘进工作面通风监控***；
其中，井下掘进工作面通风监控***，用于实时监测井下掘进工作面通风与环境参数，研判与预测需风量，确定工作面供需匹配模型；
井下局部风机变频监控***，用于实时监测局部风机的运行工况参数，完成对局部风机运行频率调控；
工业以太网通信***，用于将获取的井下掘进工作面的环境参数、通风参数、局部风机的运行工况参数以及地面监控中心的控制指令进行传输；
地面监控中心，用于实时监控整个煤矿所有掘进工作面局部风机的运行工况参数，通风异常时快速地实现远程切换与智能调控，恢复安全状态，无法排除异常时报警；
所述井下掘进工作面通风监控***包括井下监控分站、通风参数监测模块、环境参数采集模块；
井下监控分站，用于实时监测井下通风网络分支的环境参数和通风参数；
通风参数监测模块，用于实时监测井下通风网络分支的通风参数，所述通风参数包括风速、风压、干湿空气温度；
环境参数采集模块，用于实时监测井下通风网络分支的环境参数，所述环境参数包含CH4浓度、CO浓度、O2浓度、CO2浓度和温度；
所述井下局部风机变频监控***包含局部风机运行工况监测传感器、监控分站和变频控制组件，
局部风机运行工况监测传感器，用于实时采集风机的运行工况参数；所述运行工况参数包括：风量、温度、大气压、负压、全压、差压、转速、电流、电压、功率、效率；
监控分站，用于实时监测局部风机的运行工况参数；
变频控制组件，用于调控局部风机的运行频率；
所述地面监控中心包含PLC控制器、以太网通信模块、局部通风参数显示终端和服务器；
其中，局部通风参数显示终端，用于实时显示全矿多个掘进工作面的局部通风***运行参数；
PLC控制器，用于对接收的全矿多个掘进工作面的局部通风***运行参数并进行预处理；
以太网通信模块，用于地面监控中心与工业以太网通信***的数据传输；
服务器，用于安装应用软件和功能软件，为用户提供服务；
煤矿局部通风机远程切换与智能调控装置的控制方法，具体包含如下步骤；
步骤1，定时实现局部通风机连续点动式远程自动切换，并实时监测记录切换过程，实现多组局部通风机的无人值守；切换异常时，***通过井下报警与地面远程报警相结合告知异常情况；
步骤2，通过井下掘进工作面通风监控***监测的环境与通风参数，井下局部风机变频监控***采集的运行工况参数，并通过工业以太网通信***传输给地面监控中心，实现井下所有掘进工作面通风状态的远程实时监测与预警分析；
步骤3，当井下掘进工作面通风监控***监测的环境参数和通风参数异常时，则将异常掘进工作面的环境参数、通风参数传输至地面监控中心，并发出报警；
步骤4，地面监控中心根据井下掘进工作面的环境参数和通风参数，通过分析确定计算出工作面的最佳需风量，根据Q-F特性模型确定排除异常的局部风机调控方案；同时，服务器运用数据库中预置的通风模型和监测的通风参数进行风机运行状态的安全性检验，实现调节方案的超前模拟，仿真验证拟定的调节方案，保障调节过程的安全；若计算局部风机频率调至50HZ仍无法排除异常瓦斯涌出时，则立即报警采取其他措施；
步骤5，常态下的局部通风***节能减排的调控方案具体如下：
统计掘进工作面瓦斯监控数据，确定瓦斯涌出量最大值W0，风机工作频率f0，风机的抽风量为Q0，定义当前状态的瓦斯涌出量最大值为WN，当前的风机频率fN，后一小时的风机频率初始值为fT，设定的瓦斯浓度预警值c0＝0.5％；提出5种瓦斯与风机频率联动调节规则，满足后一小时不同瓦斯涌出的变频自动调风稀释，具体如下：
(1)调节规则1：若当前状态瓦斯涌出量增大值(WN-W0)∈[0,0.5M0]，则当前的风机频率fN＝f0；后一小时的风机频率初始值fT＝f0；M0为风机调节的富余量；
(2)调节规则2：若当前状态瓦斯涌出量增大值(WN-W0)∈(0.5M0，0.9M0]，则当前的风机频率fN＝f0，后一小时风机频率初始值fT上调，其增加风量可稀释瓦斯涌出增量大于0.5M0值；
(3)调节规则3：若当前状态瓦斯涌出量增大值(WN-W0)＞0.9M0，则风机频率必须上调为f'N，通过增大风量稀释异常涌出的瓦斯；如果掘进工作面浓度ci≤c0＝0.5％，则后一小时风机频率初始值fT＝f′N；如果风机调频后掘进工作面浓度ci≥c0＝0.5％，需要采取其他措施治理掘进工作面瓦斯；
(4)调节规则4：若当前状态瓦斯涌出量降低值(W0-WN)∈[0,0.9M0]，则当前状态风机频率fN＝f0；则后一小时风机频率初始值fT＝f0；
(5)调节规则5：如果当前状态瓦斯涌出量降低值(W0-WN)＞0.9M0，且持续时长超过2h，则当前状态风机频率就要下调为f”N，以实现节能降耗的目的；则后一小时风机频率初始值fT＝f”N。
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