王 军

(山西焦煤有限责任公司 屯兰煤矿,山西 太原 030200)

煤炭是我国主要的能源来源,它的安全生产对于保证能源供应、社会生产复兴至关重要。煤矿井下地质环境复杂,其开采过程往往伴随瓦斯、一氧化碳等有毒有害气体释放,加之井下氧气含量低,导致井下作业人员风险激增。因此,需及时将有害气体排出作业区域,增加井下空气含氧量,以保证井下有效通风从而实现通风设备的健康平稳运行[1]。

笔者提出了一种远程在线监控方案对煤矿井下通风设备状态进行实时控制。通过对井下重点区域具体的温度、瓦斯浓度、风速灯关键参数的测量,解决通风系统控制不准确、不及时的问题,确保了通风设备实时可靠运行,提高了煤炭生产安全水平[2]。

煤矿井下主通风系统整体布局及通风机结构如图1所示。

图1 矿井主通风系统整体布局及通风机结构

由图1可知主通风系统由主通风道、风门、风机和通风口组成,并采用上下两套风机系统的冗余设计,以确保主风机(2号)故障、检修时,通风系统仍能正常运行。每套风机系统由两级电机组成,低风量时1级电机启动,满载时2级电机同时启动,以确保通风量满足生产要求。通风机在工作时,其供电电流、电压、振动、环温、瓦斯浓度等诸多参数均发生变化,实时监测上述指标,对于全面评估设备状态具有重要意义[3]。

为实现通风机系统远程全面监测,设计如图2所示的监控系统。此系统由地面和井下两部分组成,井下以控制监测为主,主要完成数据获取;地面以预警处置为主,主要完成远程操作。全系统以PLC为控制核心,以太网为传输媒介。

图2 通风机远程在线监控系统设计框图

以通风机2为例,PLC通过变频器控制其转速,并监测电压等电气参数。与此同时,PLC通过硬件RS485总线搭载Modbus协议,与安装在通风机各处的环境温度、机械振动、通风速度、瓦斯浓度、气体压强等各个关键点位的传感器进行通信,并将上述数据打包成数据帧,经由以太网存储至服务器。经地面上位机访问、处理后,进行数据处理、预警、大屏显示和应急处置。同时,安装在风门、通风机附近的高清防爆摄像头经PLC通信模块将井下实时画面传输至以太网,便于地面人员访问和处置判断[4]。

在综合性价比、运行速率、编程便携性等多方面要求的基础上,系统最终选择具有接口众多、功耗较低、运行可靠性强等优势的西门子S7-200PLC作为控制核心。

该型号PLC控制器由电源交换器、输入端、微处理器、输出端、通信接口、系统存储器、用户存储器和拓展接口组成。为确保监控系统正常运转,需为PLC控制器拓展外部模块,如完成数字量输入的EM221 CN DC模块和数字量输出的EM222 CN DC模块、实现井下网络通信的工业以太网模块CP243-1、完成485通信,并配备数字出入输出接口的CPU226 CN模块,上述模块共同配合,确保井下数据安全稳定传输[5]。

此方案采用RS485通信及ModBus协议,完成传感节点与PLC之间的温度、压力、电压等关键参数的传输,RS485电路结构及其数据帧结构如图3所示。

图3 RS485电路结构及其数据帧结构

相较于其他传输方法,485总线接口采用差分电平和平衡驱动器相结合的方式进行传输,抗共模干扰能力强,最高可支持12 Mbps传输速率,传输距离最远可达1 200 m,并支持中继器的传输方式。除此之外,它还具有联网多机通信功能,最多可支持128个终端。在软件协议方面,485总线接口采用ModBus协议,其通信数据帧格式见图3,接收单元有对应的地址码,主要由初始结构(大于4字节)、地址码(1字节)、功能码(1字节)、数据区(N字节)、校验码(16位数据)、结束结构(大于4字节)组成,校验码主要通过CRC循环冗余算法来保证数据传输准确。

为确保井下通风机运行状态实时可控,需根据运行环境对其传感器进行选型,选型结果将对监控系统性能产生重要影响,具体如下。

(1) 供电参数传感模块。该模块使用斯达森公司SMT18N2单路单向综合模块完成电压、电流、有功功率、功率因数、频率等关键指标测量,其最多可进行40次/s数据采集,含有内部时钟模块,支持485通信,并配备ModBus标准协议。该模块可以直接安装在通风电机配电箱中,经总线传输数据至PLC,并上传通风监测系统服务器。

(2) 振动传感模块。该模块采用上仪振动仪表公司的XZD-YB一体化防爆振动传感器,该传感器可测量的振幅峰峰值为0～500 μm,振动频率为5～300 Hz,并采用4～20 mA电流输出,抗电压源干扰能力强。该模块安装在电机设备处,其输出电流信号经运算放大器、AD转换模块后,由485总线传输至PLC,并上传通风监测系统服务器。

(3) 温度传感模块。该模块选用江苏康天公司的WZPB-240一体化防爆热电阻温度传感器,该传感器采用铂电阻作为测量元件,温度范围为-200～500 ℃,误差0.15 ℃,采用4～20mA电流输出。

(4) 风速传感模块。该模块选用GFW25型矿用本质安全型风速风向传感器,该传感器的超声波探测元件通过对风速调制结果的解调完成风速测量,测量范围0.1～25 m/s,测量误差0.4 m/s,它具有频率、电流、电压、总线等多种输出模式且抗干扰能力强,因此文中采用RS485通信方式。

(5) 瓦斯浓度传感模块。该模块选用常州天地自动化公司的KGJ16B型矿用瓦斯传感器。该传感器灵敏度较高,响应速度快,报警指示明确,且支持485通信。此模块也可直接输出烟雾、瓦斯报警和动作信号,可实现远程自动灭火或烟雾保护,本质安全程度高。

(6) 负压传感模块。该模块系统采用山东中煤电器GPD0.1F(A)矿用本质安全型负压传感器,该传感器测量范围为-0.1～-0.5 MPa,自带温度补偿元件,测量精度高。它采用4～20 mA电流输出格式,抗电压干扰源能力强,经电压转化AD转换后,与PLC完成通信,并上传通风监测系统服务器。

(7) 井下摄像头模块。为便于快速处置井下异常状况,采用KBA煤矿自清洁本安型防爆光纤摄像头,其工作电流小,采用TCP/IP传输协议,具有10 M/100 M自适应网口,便于视频传输,当视频信号经光纤传输至PLC的通信模块后,经过工业以太网传输至地面,实现实时显示。

为确保通风机监控系统安全运行,需对通风电机变频器进行控制访问,其流程如图4所示。

图4 风机主程序控制流程

为确保通风机数据准确、直观显示,同时能够快速处置出现的异常情况,此系统设计如图5所示的监测系统显示界面。

图5 通风机远程在线监测系统显示界面

功能菜单区完成数据保存、历史数据查询、数据采集及传输速率、各关键参数告警报警阈值设置、人员登录同步、系统时间显示和系统关闭功能;数据曲线区实现不同风机当前所处区域的风速显示,数据显示区间和风机显示位置均可调;实时画面区则显示井下通风机的实时画面,1 080 p像素便于精准掌握井下通风机情况;状态显示区则统一对主、备两套通风系统的1、2号电机运行状态进行集中展示,并针对供电质量(电压、频率)、振动幅度、气体压强、环境温度等方面指标进行逐一评价,通过初始、正常、告警、报警四种状态,向人员提供处置、判断信息。

目前该系统已在某煤矿进行应用,在对原有通风监控设备进行升级改造的基础上,此系统运行后,通风系统控制即时性得到改善,通风量得到提高,其值由原来的5 400 m/s提升为6 000 m/s,提升率10%;有害气体方面,瓦斯浓度远低于1%的临界值;人员操作安全风险进一步降低,有效提高了安全生产时间,减少了井下作业面异常停工时间约200 h,该系统的应用极大地提高了监测信息化水平,对于降低通风系统运行风险、提高应急处置水平具有重要意义,且具有较大的安全及经济效益。

机械研究与应用2023年5期