图1 变频通风系统组成
张大伟， 辛德林
(中煤科工集团武汉设计研究院有限公司， 湖北 武汉 430064)
摘要：针对煤矿斜井盾构法施工时的长距离独头通风，设计了一种以PLC为核心的智能监控系统。该智能监控系统可根据不同风筒长度的风量及负压变化规律，对通风机进行自动调节；同时，对斜井井筒内的甲烷、一氧化碳、二氧化碳及氧气等环境参数进行实时监测，并上传至矿区数字化管理平台，为盾构施工提供了安全的通风保障。
关键词：盾构法； 斜井盾构施工； 通风监控； 智能监控；PLC
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160902.1019.017.html
神华新街台格庙矿区1号试验斜井采用盾构施工法，在国内煤矿斜井建设中属于首次。斜井盾构施工时，由于井筒内人员需风量、瓦斯排出、有害气体排出、设备散热等因素，井筒内的通风非常重要。经过方案比较，确定采用长风管独头机械压入式通风，以满足施工需要。该斜井井筒总长6 700 m，随着井筒盾构施工的延伸，风筒也逐渐延长，井筒内所需风量和负压也随之增大。为此，设计了一种以PLC为核心的智能监控系统，它可根据施工时不同风筒长度的风量及负压变化规律，对风量进行自动调节。该智能监控系统还可通过环境监测监控分站及井筒内设置的传感器，对井筒内的甲烷、一氧化碳、二氧化碳及氧气等环境参数进行实时监测并上传至矿区数字化管理平台，为盾构施工提供了安全的通风保障。
通风系统主备用通风机均为对旋轴流式通风机，主要通风机主电动机功率为2×200 kW，备用通风机主电动机功率为3×185 kW。轴流式通风机风量调节方法有调整叶片角和调节通风机转速2种方法[1]。考虑到随风筒长度要增加供风量的关系，采用变频调速调节风量。因此，通风系统主电动机的电气传动采用380 V低压变频调速和以变频调速为主、改变叶片角为辅的方法实现通风风量的自动调节。通风机通过主电动机反转实现反风。通风系统组成如图1所示。
图1 变频通风系统组成
2.1 智能监控系统硬件组成
智能监控系统采用可编程序控制器PLC+上位监控计算机模式[2]。PLC部分由机架、电源模块、CPU模块、以太网模块、通信模块及输入输出模块等组成。通风系统环境参数的实时监测采用KJ95N系列矿井安全监测监控系统实现。上位监控计算机采用工业计算机，通过组态软件实现系统参数显示、故障报警、历史数据存储及报表输出等。智能监控系统硬件组成如图2所示。
图2 智能监控系统硬件组成
2.2 智能监控系统软件
智能监控系统软件分为下位逻辑控制程序和上位监控显示程序2个部分。下位逻辑控制程序利用SIMATICSTEP7软件编制，由主程序和子程序组成。主程序用于控制配电柜、变频器等设备，完成通风机的远程遥控/自动/手动(检修)状态下的启停及风量自动调节。子程序用于实现故障报警控制及风电瓦斯闭锁控制等。其中，风量自动调节以工艺专业计算值为系统给定值，通过PLC的PID处理模块自动调节控制输出。盾构斜井施工不同风筒长度通风机供风量见表1。风量自动调节框图如图3所示。
表1 斜井盾构施工不同风筒长度通风机供风量
图3 风量自动调节框图
上位监控显示程序采用WinCC组态软件编制。该监控显示程序通过与下位PLC控制器通信，实现控制指令下达、工作方式选择、参数设置、设备运行状态监控、故障报警及数据存储记录等功能。
2.3 智能监控系统功能
2.3.1 控制方式
智能监控系统运行方式有远程遥控/自动/手动(检修)3种：① 远程遥控由矿区数字化平台的监控计算机实现，即“一键启停”。② 自动方式，即由PLC程序控制系统各设备按照预设程序自动运行。③ 手动(检修)时由人工就地控制，一般是调试及检修时采用。
2.3.2 监控功能
(1) 参数监测及存储。系统监测参数：① 通风机主电动机的远控、运行及故障状态、主电动机绕组及轴承温度；配电装置的远控、分合闸、运行及故障等设备运行参数。② 各高低压配电装置的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电度等电气参数。③ 风量、负压等通风系统运行参数。④ 井筒内的甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氧气等环境参数。上述参数同时被存储在上位机内，形成历史数据，方便查询。
(2) 程控功能。① 通风机的正常启停控制。② 设备故障时的报警及通风机自动倒换控制。③ 根据不同盾构长度的需风量及风量传感器采集的反馈值进行PID闭环控制，实现风量的自动调节[3]。④ 通过组态软件，采用图形及数字实时显示系统运行参数和设备状态，并进行故障报警。⑤ 联锁控制：通过环境监测监控分站及甲烷传感器、断电控制器等完成通风机的启停与盾构机等用电设备的联锁控制，实现“送风送电，停风停电”的风电闭锁功能，且当斜井井筒内瓦斯含量达到断电值时，实现盾构机等用电设备必须断电的瓦斯电闭锁功能[4]。⑥ 监控系统可通过工业以太网交换机与矿区数字化平台联网，实时上传通风系统运行参数，实现通风系统的远程启停、无人值守、智能运行。
煤矿斜井盾构施工长距离独头通风智能监控系统是根据神华新街台格庙矿区1号试验斜井盾构施工的通风要求设计的，由于该矿区因多种矿权重叠等原因暂缓施工，所以，该智能监控系统首先在神华神东补连塔煤矿2号辅运斜井盾构施工工程中应用，并获得了成功。应用结果显示：
(1) 风量初期小，后期大，采用变频调节，节能效果显著。
(2) 通风机变频启动运行，系统振动小、噪声低，风筒使用寿命长、故障率低。
(3) 风量自动跟随调节，满足斜井盾构施工供风要求。
(4) 智能监控系统可根据实时环境参数智能调节风量，例如当瓦斯浓度上升，但未达到报警及断电值时，自动增加风量。
该智能监控系统实现了风量的自动调节，满足了施工中的通风要求，同时实现了风电瓦斯闭锁，为以后该类施工提供了科学参考和有效保障，具有示范意义。
参考文献：
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[2] 闵磊，陈燎原，王磊，等.PLC控制与组态技术在矿用通风机监控系统中的应用[J].煤矿机械，2012，33(2)：199-200.
[3] 闫鑫，万紫嫣，吴坤，等.矿井主要通风机控制系统设计[J].工矿自动化，2012，38(3)：66-68.
[4] 龚晓燕，薛河，时磊，等.PLC及组态王的掘进通风监控与报警系统研究[J].西安科技大学学报，2012，32(1)：81-85.
ZHANG Dawei, XIN Delin
(CCTEG Wuhan Design and Research Institute， Wuhan 430064，China)
Abstract:An intelligent monitoring and control system was desiged which takes PLC as core for blind ventilation with long distance in shield construction of coal mine inclined shaft. The intelligent monitoring system can automatically adjust ventilator according to change regulation of air flow and pressure of different length of ventilating duct. At the same time, it can monitor environment parameters such as CH4, CO, CO2, O2 and so on in inclined shaft, and send the collected data to mine digital management platform. It ensures safety of ventilation for shield construction.
Key words:shield method; shield construction of inclined shaft; ventilation monitoring; intelligent monitoring; PLC
文章编号：1671-251X(2016)09-0071-03 DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.09.017
收稿日期：2016-04-22；
修回日期：2016-07-19；责任编辑：胡娴。
基金项目：国家科技支撑计划子课题(2013BAB10B03-5)。
作者简介：张大伟(1982-)，男，安徽寿县人，高级工程师，主要从事矿山电气自动化研究工作，E-mail：zdw027@163.com。
中图分类号：TD635
文献标志码：B 网络出版时间：2016-09-02 10:19
张大伟，辛德林.煤矿斜井盾构施工长距离独头通风智能监控系统[J].工矿自动化，2016,42(9)：71-73.