深部开采矿井通风智能感知及远程统一调控系统

摘要

本发明提供的深部开采矿井通风智能感知及远程统一调控系统，其主要由智能感知设备、PLC控制柜(3)、中层光纤环网(18)、环网交换机(17)和工控机(19)组成，其中：PLC控制柜(3)设有模拟量输入端子(4)、变频器(12)、模拟量输入模块(13)、通讯模块(14)、CPU模块(15)，所述模拟量输入端子通过电缆与智能感知设备相连，变频器(12)与通风电机(2)连接并自动获取该电机运行参数，然后通过所述CPU模块、通讯模块、模拟量输入模块及中层光纤环网和环网交换机与上层监控终端的工控机(19)通信。本发明可拓展性强，提高了对深部开采矿井中多风机的统一调控效率和实时掌控优化能力。

说明书

技术领域

本发明涉及深部开采矿井通风的远程智能感知及安全防护控制技术领域，核心技术要点 在于深部开采矿井通风智能感知及远程统一调控系统的设计、远程指令的实时发送与监测数 据的智能化采集与处理。

背景技术

随着矿山开采深度的逐年增加，通风系统管理及控制愈发复杂。迄今为止，加强矿井通 风仍然是解决深部开采高温问题的有效途径。基于传感器技术、虚拟仪器技术以及物联网技 术，以矿井风机为研究对象，采用LabVIEW编程技术、PLC技术及矿井通风优化理论，开 展矿井通风智能感知及远程控制系统研究。采用高精度传感器智能感知风机工作参数、电机 工作参数及矿井环境监测参数，快速识别风机工况点及地下工作环境。通过PLC及环网交换 机将实时监测参数传输至地表监控终端，技术人员根据监测参数的变化远程控制矿井风机的 转速、启停、正反转。研究成果有望为矿井通风安全提供可靠技术保障，对矿山节能减排、 预防事故发生具有重要意义。

矿井通风系统作为矿井生产系统的重要组成部分，对井下安全生产起着举足轻重的作用， 尤其在深部开采矿井中。目前对全矿井通风系统状况的监控缺乏高效的技术手段，一般采用 人工检测的方式和操作人员本地控制方式，每旬对全矿的主要通风巷道及用风地点进行一次 风量、风压检测，传统人工检测的缺点主要表现在：①受到主观影响较大，精度会因不同的 人测量产生微小偏差；②需要大量的人力进行现场的测量，速度慢、效率低、周期长，不利 于企业控制人力检测成本，不能适应当前施工的需要；③人工现场监测读取有毒有害气体浓 度参数时，存在一定的危险性；④人为的测量，现场的安全性难以很好的把握，且一般监测 项目单一，不能实时全面地掌握井下各巷道的通风状况，难以实现对数据的实时处理和反馈； ⑤相关隐患不能被及时发现，且发现后对风机的本地调控也不及时，对矿山的人员生命和安 全生产造成了潜在的危害性；⑥单一类型的传感器进行监测和数据分析科学性不够，并且单 一类型传感器自成一套系统，难以实现多种类型传感器数据监测的实时共享和分析，不能实 现多条件的实时报警。

同时由于矿山开采深度的增加，风机也越来越多，故需要对所有的风机进行统一远程调 控管理，提高矿井通风工况点的调控效率，多传感器全面感知风机工作参数及环境参数，相 互验证，确保及时准确预警并排除安全隐患，因此有必要提供一种新型调控系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种深部开采矿井通风智能感知及远程统一调控系 统，该系统可以在线自动化监测风机和环境参数并动态分析，及时发现危害员工生产工作的 隐患并通知人员加以控制，实现井下人员的作业安全性，保证生产的顺利运行。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的深部开采矿井通风智能感知及远程统一调控系统，主要由智能感知设备、 PLC控制柜、中层光纤环网、环网交换机和工控机组成，其中：PLC控制柜设有模拟量输入 端子、变频器、模拟量输入模块、通讯模块、CPU模块，所述模拟量输入端子通过电缆与智 能感知设备相连，变频器与通风电机连接并自动获取该电机运行参数，然后通过CPU模块、 通讯模块、模拟量输入模块及中层光纤环网和环网交换机与上层监控终端的工控机通信。

所述智能感知设备由布置在深部开采矿井风机附近的智能传感器及变送器组成。

所述智能传感器采用振弦式传感器、微电子传感器、差阻传感器或市面上常用的传感器。

所述智能传感器采用风速传感器、温湿度传感器、O₂浓度传感器、NO₂浓度传感器、CO 浓度传感器。

所述变送器采用风压变送器、一体化振动变送器，其中：一体化振动变送器装在井下风 机的外壳上，风压变送器布置在风机附近。

所述PLC控制柜主要由电信号连接的CPU模块、模拟量输入模块、通讯模块、加热除 湿设备，以及变频器、电源模块和各种开关按钮组成。

所述通讯模块采用TCP/IP Ethernet通讯模块。

本发明提供的上述深部开采矿井通风智能感知及远程统一调控系统，其用途是：在深部 开采矿井通风领域引入虚拟仪器软件LabVIEW和可编程逻辑控制器PLC软件进行智能感知 及远程控制软件平台的联合开发中的应用。

本系统应用时，可以采用以下的步骤：

1)根据通风系统检测规范及现场监测要求，选择风机附近合适的位置安装传感器和PLC 控制柜，并将传感器信号电缆连接至PLC控制柜里面的模拟量输入端子；

2)PLC控制柜安装完毕后，将柜体内的TCP/IP通讯模块通过铠装网线连接至附近的环 网交换机上，构成环网通讯回路；

3)将工控机安装至调度室，用铠装网线与光线环网连接至一起，然后进行底层智能感知 层、中层光纤环网和上层监控终端的通讯测试；

4)通讯调试成功后，通过调度室内上位机来远程接收数据，实时显示风机、电机和附近 环境的各项监测参数；

5)具有相应权限的人员可综合考虑实时监测到的风机、电机和环境监测数据，井巷通风 阻力、风机特性曲线及各相邻风机的相互影响，远程发送指令，控制各风机的启停、正反转 和变频调速，快速改善井下通风状况。

本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：

1.以深部开采矿井中的风机和采掘面作为监测对象，监测过程更具针对性，可以及时反 映矿井风机和通风状况的主要安全影响因素的改变，从而全面了解井下通风系统运行情况和 人机工作环境，提高风机统一调控效率和自动化管理水平，保障回采顺利进行和人员安全作 业；

2.传感器按照既定要求布置完毕后，各监测对象的物理化学变化会被传感器捕捉，信号 通过信号线接入PLC控制柜中的模拟量输入模块，以2秒/次的速度对监测对象数据进行扫描 刷新，将最新数据显示在监控终端界面上并存入数据库中，实时性较高；

3.将不同类型的传感器集成于同一个监测系统，可以实现对现场的风压、风速、温湿度、 风机振动烈度、CO浓度、NO₂浓度、O₂浓度以及电机的电流、电压、转速等项目的统一监 测，建立起了关于通风基站风机、电机与环境为一体的监测体系，对风机、电机工作参数及 环境监测参数的变化趋势和潜在安全隐患有更加多维和细致准确的反映；

4.传感器的类型为振弦式和微电子式，精度较高，克服了传统监测和人工检测精度不够 的问题，本监控系统在数据及指令传输的过程中，采用了交换机和光纤环网，实现了信号传 输的稳定性和及时性，将智能感知设备、PLC控制柜、工控机紧密联系在一起，充分利用了 遥测和遥控的优势，极大程度减少了人员的作业量，避免了操作人员因本地控制而被有毒有 害气体伤害的安全隐患出现；

5.操作人员在监控终端遥控某台风机的运行参数(启停、正反转、转速)时，可实时查 看相邻及其他风机的各种监测参数的变化，总结相邻风机相互影响关系，并根据各风机个体 特性曲线，将每台风机工况点调控至最佳范围，可及时防止因矿井风阻偶尔增加及各风机之 间的相互影响而使工况点进入不稳定工作区间，优化风机工作参数，改善矿山节能减排效果；

6.软件监测系统根据不同身份用户具有不同的操作权限的理念进行人性化的界面设计， 只有具备风机远程控制资格的管理人员才能对风机进行统一调控，否则只能查看各个风机的 监测数据和运行状态等参数，提高了管理决策及控制的安全性；

7.监控系统在监测参数预警配置时，充分考虑到各监测对象安全要求标准的不同，有针 对性地对每个对象设定了符合自身规定的精度要求和预警范围，使提出的通风安全隐患处理 方案更加准确、具体、及时、有效，对各监测项目的变化趋势有精准的捕捉、监控和预测；

8.监控系统结合LabVIEW和PLC进行联合开发，使其相互配合兼容良好，上位机采用 LabVIEW开发的虚拟仪器对深部开采矿井通风状况进行实时监测预警和统一调控，并且根据 用户需要实时变换和改进面板，扩展性强，进一步提高对深部开采矿山通风系统状态的动态 掌控和优化能力，改善通风状况，同时可以对各个参数的相互影响程度进行较好的分析。

总之，本发明适用于深部开采矿井通风系统全方位实时安全监测和远程统一调控，克服 了传统监控手段的诸多弊端，具有监测信息全、实时性强、精度高、管理调控及时方便等优 点，对深部开采矿井通风系统的实时掌控和优化、节能减排、智慧矿山的建设具有重大意义。

附图说明

图1为本发明深部开采矿井通风智能感知及远程统一调控系统总体构成示意图。

图2为监控装置的具体组成图。

图3为PLC控制柜组成图。

图4为现场传感器的布置图。

图5为某一回采巷道O₂浓度变化曲线图。

图6为某一风机振动烈度变化曲线图。

图中：1.风机；2.通风电机；3.PLC控制柜；4.模拟量输入端子；5.风压变送器；6.一 体化振动变送器；7.风速传感器；8.温湿度传感器；9.O₂浓度传感器；10.NO₂浓度传感 器；11.CO浓度传感器；12.变频器；13.模拟量输入模块；14.通讯模块；15.CPU模块； 16.加热除湿设备；17.环网交换机；18.中层光纤环网；19.工控机；20.固定杆；21.传感器 支架；22.传感器信号电缆；23.巷道。

具体实施方式

本发明提供的深部开采矿井通风智能感知及远程统一调控系统，是一种基于LabVIEW和 PLC的深部开采矿井通风智能感知及远程统一调控系统，该系统在深部开采的矿井风机附近 布置多种传感器，将多种类型的数据进行汇集，实现数据的自动集成监测、实时分析和处理、 及时声光预警提示，地表控制室操作人员可通过监控终端界面对所有监控风机进行远程统一 调控，快速改善井下通风状况，其克服了传统方式的缺点，达到了较高的监测感知和控制精 度，并且实现多传感器系统融合、数据共享和分析。该系统可扩展性强，在矿体回采前进行 搭建，对风机电机工作参数、风机附近和采掘工作面的环境参数进行必要的实时监测，操作 人员可综合考虑井巷通风阻力、风机特性曲线及各相邻风机的相互影响，远程发送指令，控 制各风机的启停、正反转和变频调速，及时改善井下通风状况，提高了对深部开采矿井中多 风机的统一调控效率和实时掌控优化能力，保证了人员的作业安全性和生产的顺利运行。

下面结合实施案例及附图，对本发明作进一步详细说明。

本发明提供的深部开采矿井通风智能感知及远程统一调控系统，其结构如图1和图2所 示，主要由智能感知设备、PLC控制柜3、中层光纤环网18、环网交换机17和工控机19组 成，其中：PLC控制柜3布置在巷道23内，柜内设有模拟量输入端子4、变频器12、模拟量 输入模块13、通讯模块14，所述模拟量输入端子4通过传感器信号电缆22与智能感知设备 相连，变频器12与通风电机2连接并自动获取该电机运行参数，然后通过PLC的CPU模块 15、通讯模块14、模拟量输入模块13及中层光纤环网18和环网交换机17与上层监控终端 的工控机19通信。

所述智能感知设备由布置在深部开采矿井风机附近的智能传感器及变送器组成，其中： 所述智能传感器采用振弦式传感器，还可以是微电子、差阻以及市面上常用的传感器，本实 施例采用了风速传感器7、温湿度传感器8、O₂浓度传感器9、NO₂浓度传感器10和CO浓 度传感器11，它们通过固定杆20或传感器支架21布置在井下风机1的附近处，并且分别通 过传感器信号电缆22与PLC控制柜3的模拟量输入端子4相连。所述变送器包括悬挂在巷 道拱顶上方的风压变送器5和固定安装在井下风机1的外壳上的一体化振动变送器6，它们 分别通过电缆与PLC控制柜3的模拟量输入端子4相连。

所述PLC控制柜3主要由电信号连接的PLC的CPU模块15、模拟量输入模块13、通讯 模块14、加热除湿设备16，变频器12，以及电源模块和各种开关按钮组成。通讯模块14采 用TCP/IP Ethernet通讯模块。电源模块给本发明所有设备供电。

所述PLC程序与上位机的LabVIEW软件配合兼容良好。

所述变频器12通过电源动力线与通风电机2相连接。

所述智能感知设备和PLC控制柜3构成本发明调控系统的数据采集设备。

所述环网交换机17、光纤环网18与PLC控制柜3中的模拟量输入端子4、模拟量输入 模块13、通讯模块14构成本发明调控系统的数据传输设备。这些数据传输设备将经过变送 器调理之后的智能传感器数据信号，先后发送至地表调度室监控终端的工控机19，而变频器 12所获取的通风电机2运行参数等通讯量则通过RS485通讯线、通讯模块14及环网交换机 17、光纤环网18传输至工控机19。

本发明提供的上述深部开采矿井通风智能感知及远程统一调控系统，其在基于LabVIEW 和PLC的深部开采矿井通风调控中的应用，例如用于湖北省大冶市某铁矿矿井通风中的智能 感知和远程调控，具体步骤包括：

1.湖北大冶市某铁矿在-410m水平的矿床回采过程中，采用5台轴流式风机1来改善井 下采掘工作面的通风作业环境，通风电机2额定功率为18.5KW，通过PLC控制柜3对每台 风机加以本机/远程控制，并实时获取风机工作参数、电机工作参数和环境监测参数。

2.本系统在现场的布置方式见图1，具体为：

1)风压变送器5的安装：

风压变送器5的安装设置应符合AQ2013.3中主要通风机风压的测点布置要求，在采掘工 作面迎风方向安置风压变送器5，安装时压力接口不能泄露，确保量程及接线正确，同时确 保信号电缆线不得与动力电缆混合铺设，传感器及变送器周围应避免有强电磁干扰，并做好 保护措施。

2)一体化振动变送器6的安装：

一体化振动变送器应垂直或水平安装于被测振动点上，将传感器底部螺钉固定在被测风 机壳体上，然后将传感器拧在上面拧紧即可；

3)风速传感器7的安装：

风速传感器应选择布置在断面规整的巷道中部，前后10m内巷道无分支风流、无拐弯、 无障碍等杂物、断面无变化、能准确计算风量的地点，按传感器标示箭头方向悬挂，连接传 输电缆即可；

4)温湿度传感器8的安装：

温湿度传感器应布置在靠近监测区域且风流稳定的位置，布置在巷道的上方。温湿度传 感器应垂直悬挂，距离顶板不得大于30cm，距离巷道侧壁不得小于20cm。

5)O₂传感器9的安装：

根据氧气的密度特性，氧气传感器应安装在矿井侧壁中间偏上部。氧气传感器安装距地 面高度应大于30cm以防水溅。在矿井中选择较为坚固的顶面或者侧面的一处位置，然后将 一挂钩固定在选择的位置上，然后将传感器悬挂在挂钩上，悬挂时氧气传感器应朝下悬挂；

6)NO₂传感器10和CO传感器11的安装：

二氧化氮和一氧化碳传感器应垂直悬挂，距巷壁应不小于0.2m。一氧化碳传感器距顶板 应不大于0.3m，二氧化氮传感器距底板应不高于1.6m。

3.现场传感器(即风压变送器5、一体化振动变送器6、风速传感器7、温湿度传感器8、 O₂浓度传感器9、NO₂浓度传感器10、CO浓度传感器11)布置完毕后，将电缆进行整理并 依次将其接入PLC控制柜3中的模拟量输入端子4上，通过RS485通讯线将变频器和PLC 的CPU模块15连接起来，然后用动力线把电源模块和电机2连接，配置每台柜子的IP地址 及与上位机的从属关系，并用铠装网线将TCP/IP Ethernet通讯模块14连接至PLC柜体附近 的环网交换机17上；

4.地表监控终端工控机19通过光纤环网18、环网交换机17、TCP/IP Ethernet通讯模块 14获取各种监测数据，然后进行数据处理和预警，并发射指令进行远程统一调控，遥控各台 风机的启停、转速、正反转，改善井下通风状况；

5.对于每一个监测项目都根据井下通风安全要求及设备规范，利用工控机19进行预警值 的配置，当某一个监测项目的数值达到预警值时，本系统就会发出声光预警提示，并根据危 险程度提示应采取相应措施，实现实时的预警，科学地指导安全作业；

6.湖北大冶市某铁矿在-410m水平的矿床回采过程中的采掘工作面O₂浓度变化曲线和 风机振动烈度变化曲线分别如图5、图6所示。由图5可知在矿体回采过程中，O₂浓度在无 爆破作业情况下并没有太大的波动，只有在采掘面爆破时才会显著下降，但随着新鲜空气的 输入，又逐渐恢复至正常浓度，人员必须在此后才能进入采掘工作面继续作业；由图6可知 风机振动烈度在风机刚刚启动时会大幅度增加，然后逐渐减小至某一值并保持不变，原因是 风机刚启动时转动频率逐渐接近风机的固有频率，震动幅度增大，当转动频率超过固有频率 并保持不变时，振动幅度减小并维持定值；O₂浓度和风机振动烈度都没有超过预警值，故系 统正常运行无报警；

本发明提供的上述深部开采矿井通风智能感知及远程统一调控系统，按照上述实施方式 布置完毕后，该系统便可以进行自动化的智能感知及远程调控，具体工作过程为：在深部开 采矿井通风系统中，当风机工作参数、电机工作参数、环境监测参数变化后，数据采集设备 中的风压变送器5、一体化振动变送器6、风速传感器7、温湿度传感器8、O₂浓度传感器9、 NO₂浓度传感器10、CO浓度传感器11便会实时感知采集最新数据，然后通过模拟量输入端 子4传输至PLC控制柜3里面，监测信号经过模拟量输入模块13的调理和处理后，通过TCP/IP  Ethernet通讯模块14、及中层光纤环网18和交换机17传输至上层监控终端的工控机19，而 变频器与电机连接并自动获取的电机运行参数可直接通过TCP/IP Ethernet通讯模块14、及中 层光纤环网18和交换机17传输至上层监控终端的工控机19；工控机将获取到的信息进行分 析和处理，实现对整个深部开采矿井通风监控范围内监测对象的实时感知探测，对风机、电 机工作参数和环境监测参数的变化进行及时准确多维度预警，提示操作人员通过监控终端对 各风机1进行远程调控，上位机发射的指令则是逆向传输至PLC控制柜3，远程统一调控风 机的运转状态，在增强风机统一管理水平的同时，提高矿井通风状况的调控效率，降低了调 控成本和安全隐患，对矿山节能减排和智慧矿山的建设有重大的意义。