远程集中控制技术在调节通风系统风压平衡中的应用

王剑波 周 伟 吴冷峻 贾安民

(1.山东黄金矿业(莱州)有限公司三山岛金矿,山东 莱州 261442；2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽 马鞍山 243000；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司，安徽 马鞍山 243000)

远程集中控制技术在调节通风系统风压平衡中的应用

王剑波1周 伟2，3吴冷峻2，3贾安民2，3

(1.山东黄金矿业(莱州)有限公司三山岛金矿,山东 莱州 261442；2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽 马鞍山 243000；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司，安徽 马鞍山 243000)

围绕三山岛金矿深井开采中出现的两矿区系统风压不平衡问题，采用通风系统远程集中控制技术、风机变频技术以及井下通风参数监测技术，对分布于井下各处机站的风机及主要通风巷道的风流风压参数进行计算机远程集中监测监控。在保证系统总风量达到设计要求的基础上，通过对两矿区主回风机站风机运行频率适时综合调控，各贯通处流动风量由90.60 m3/s减少至13.6 0 m3/s，有效缓解了两矿区之间污风相互串联影响。通风远程集中监控系统的稳定运行为加快推进矿山数字化建设进程迈出坚实一步。

远程集中控制技术 风机变频技术 风压平衡 矿山数字化建设

三山岛金矿是我国第一个从事大陆架滨海矿床地下开采的硬岩矿山，目前开采的矿体大部分位于海水以下，主要生产矿区西山矿区、新立矿区设计均采用竖井和斜坡道联合开拓，盘区上向分层充填采矿法开采，矿山设计生产能力8 000 t/d。西山矿区通风系统采用主斜坡道、主竖井、进风井进风，两翼南、北风井回风的对角抽出式通风方式。新立矿区采用中部副井、混合井和措施井进风，东、西两端回风井出风的两翼抽出式通风方式。

1 两矿区贯通处风流情况

近年来，随着矿山生产规模逐年扩大，主要作业中段逐步延深、生产布局发生变化，西山和新立两矿区在-150、-240、-330、-420、-600 m等中段贯通，原本就多中段、大范围开采的2个比较复杂的通风系统实际上成为1个更为复杂的通风系统。两矿区贯通处通风情况具体为：①-150 m水平贯通处风量26.87 m3/s，风向为西山矿区至新立矿区；②-240 m水平贯通处风量4.21 m3/s，风向为西山矿区至新立矿区；③-320 m水平贯通处风量31.09 m3/s，风向为新立矿区至西山矿区；④-420 m水平贯通处风量3.70 m3/s，风向为新立矿区至西山矿区；⑤-600 m水平贯通处风量24.73 m3/s，风向为新立矿区至西山矿区(-600 m水平联巷封闭完好，主要从盲竖井和卸矿站漏入)。

贯通巷道相互流动总风量为90.60 m3/s，两矿区在相互贯通大巷之间的风压平衡问题如果不妥善解决，其中1个系统的污风将影响另外1个系统，造成污风串联及短路漏风问题，进而严重影响到整个井下生产作业能否安全顺利进行。

2 通风系统远程集中控制技术研究

随着计算机网络通讯技术以及变频驱动技术日益成熟，计算机远程集中监控技术和变频调速技术用于井下多机站通风系统，不仅使多机站通风系统成为名副其实的可控式通风系统，而且具有显著的节能效果。由于三山岛金矿多机站通风系统的风机数量多，而且分布在井下的广大区域内，因而风机的控制与管理非常不便，管理人员不能随时了解全矿风机的运行状况，也不能根据生产需要随时对某些风机进行开停及调速控制，以最大限度地节约通风能耗[1]。

2.1 通风系统机站风机分布情况和监控范围

2.1.1 西山矿区

南风井-150 m回风机站维持现状，运行1台DK54-8-№27风机(主扇)，电机功率2×280 kW，降压启动。

北风井-150 m回风机站，运行1台DK46(CII)-8-№28风机(主扇)，电机功率2×400 kW，变频启动。

2.1.2 新立矿区

西回风井-165 m水平回风机站，运行1台DK62-10-№32风机(主扇)，电机功率2×450 kW，变频启动。

东回风井-165 m水平回风机站，运行1台BDK62-8-№26风机(主扇)，电机功率2×250 kW，降压启动。

2.2 监控系统方案

随着计算机技术和网络通讯技术突飞猛进的发展，应用于工业现场的计算机监控系统也日益普遍和完善。根据三山岛金矿井下通风系统的实际情况，经过对各种控制方式的分析比较，监控系统采用以工控计算机、Ethernet通讯控制柜、远程I/O控制柜和Ethernet、RS-485通讯网络为核心的远程集中监控技术，对全矿的4个主回风机站共4台风机进行远程集中监控。

2.2.1 监控系统硬件组成及原理

整个系统由设在地表调度室的主控计算机通过Ethernet网络采用TCP/IP协议与设在井下的Ethernet通讯控制柜进行通讯。Ethernet通讯控制柜将通讯数据转换为符合DCON协议的数据，通过RS-485网络与设在井下风机站控制硐室的远程I/O控制柜进行通讯。远程I/O控制柜根据主控机的指令完成风机的启停、变频调速控制，同时完成对风机电流、运行频率、风量风压参数的连续监测，并将结果传回主控计算机。主控计算机对收到的数据进行分析处理，将风机的运行状态和各种监测数据以图形(动画)和文字方式显示在主控机屏幕上[2]。

2.2.2 监控系统通讯网络布线

根据井下机站位置、井巷分布情况、服务年限及现有通讯网络等条件，确定监控系统通讯网络拓扑结构及网络布线。分别在西山矿区、新立矿区调度室内设置通风监控主机，可实现通风监控系统全部功能。在矿部总调度室设监视计算机，可浏览全矿通风系统运行状态参数[6]。

通风监控系统主干网络通讯介质采用铠装单模光缆，从通讯控制柜到机站内的远程I/O控制柜通讯网络采用RS-485通讯电缆，通讯网络布线如监控系统方案图1所示。

(1)西山矿区。通讯光缆由设在西山矿区地表调度室的光纤收发器经管缆井下到-150 m水平，经回风巷进入南风井-150 m水平回风机站的1#Ethernet通讯控制柜，从1#通讯柜分出1路RS-485通讯电缆进入本机站的远程I/O控制柜；同时1#Ethernet通讯控制柜分出1路Ethernet通讯光缆，沿-150m水平大巷沿北进入北风井回风机站的2#Ethernet通讯控制柜从2#Ethernet通讯控制柜分出1路RS-485通讯电缆进入本机站的远程I/O控制柜。

(2)新立矿区。通讯光缆由设在新立矿区地表调度室的光纤收发器经措施井下到-150 m水平，经-150 m东大巷进入东风井-150 m水平回风机站的3#Ethernet通讯控制柜，从3#Ethernet通讯柜分出1路RS-485通讯电缆进入本机站的远程I/O控制柜；从3#Ethernet通讯柜分出1路通讯光缆沿-150 m大巷向西进入西风井-150 m水平回风机站4#Ethernet通讯控制柜，从4#Ethernet通讯柜分出1路RS-485通讯电缆进入本机站的远程I/O控制柜。

图1 通风监控系统方案布置

3 系统风压平衡关键技术研究

通过将新立矿区和西山矿区2个既相互联系又相对独立的通风系统统一整合为1个复杂的多机站通风系统，在各自保持其通风方式和机站设置条件下，分析研究其相互间风流影响关系，解决三山岛金矿两矿区贯通中段风流互相影响风压不平衡问题。

研究的关键技术在于计算机网络通讯技术、风机变频技术、井下风流与风压参数监测控制技术以及它们之间的有机结合形成的成套技术从而对两矿区贯通处巷道风压进行实时监控调节[3]。其主要难点在于自主开发与计算机网络通讯技术、风机变频调控技术及井下风流与环境参数监测技术有机结合的适用于矿山井下恶劣环境下的先进稳定可靠的控制单元以及监控系统软件，形成井下通风远程集中监控系统成套技术及装置，实现井下通风远程集中监控，提升矿山通风管理水平和通风效果，改善工人工作环境，预防职业病发生，保证矿山安全生产以及通风节能降耗。

风速传感器安装在两矿区-150、-240、-330、-420、-600 m贯通巷道测风点的巷道中心高度，并采用细钢丝固定，安装位置要避开巷道断面不规则以及渗水位置，以提高监测数据的准确性及风速传感器的使用寿命[4]。差压传感器安装在两矿区贯通巷道两帮，尽量避开巷道渗水位置，差压传感器含有正负两个感应孔，正负感应孔与正负两段导压软管连接。正段导压软管沿巷道通过风墙布置，首端位置置于-150、-240、-330、-420、-600 m贯通巷道测风点前10～15 m处的巷道中心高度并用细钢丝固定，使导压软管的端部与风流方向垂直，采集传导风机出风口风流静压。负段导压软管沿巷道布置，末端位置置于测风点后5～10 m处的巷道中心高度并用细钢丝固定，使导压软管的端部与风流方向垂直，采集传导两矿区贯通巷道风流静压。根据伯努利方程原理，当正负两段导压软管的测点处巷道断面相同且标高一样时，出口静压减去进口静压即得到风机的全压，直接通过差压传感器读取。为了提高导压软管的使用寿命，导压软管选用耐腐蚀、耐油污的软管[5]。差压传感器、风速传感器均与PLC控制系统连接。PLC控制系统对风速、全压数据进行记录、存储与处理，以稳定运行时间内静压差的平均值作为两矿区贯通巷道的全压，稳定运行时间内风速的平均值作为-150、-240、-330、-420、-600 m贯通巷道的风速。

通过RS-485网络与设在井下机站控制硐室的远程I/O控制柜以及变频器相连，形成计算机通讯网络进行通讯。I/O控制柜根据主控机的指令对变频器进行控制，完成风机的启停及调速控制，并对风机运行电流、运行频率进行监测。同时通过传感器对主要进回风巷道的风流参数及大气环境参数进行监测，并将结果传回主控计算机，调控原理见图2。

主控计算机通过交换机及Ethernet网络采用TCP/IP协议与设在井下的Ethernet通讯控制柜相连进行通讯。Ethernet通讯控制柜将通讯数据转换为符合DCON协议的数据。整个系统是适应矿山井下条件的硬件组成，由主控计算机、交换机、Ethernet通讯控制柜、远程I/O控制柜、分线箱、中继器、传感器、变频器和Ethernet(以太网)、RS-485通讯网络组合构成[2]。

图2 通风系统运行参数调控原理图

根据三山岛金矿井下开采现状，对主要回风机站巷道的基础数据进行了调查与数据整理，建立了回风机站风机基础数据表和回风机站原始数据表等通风网络数据库模型，见表1、表2。

通过多(级)机站通风软件对方案进行系统通风效果计算机网络模拟解算，将4个回风机站风机运行频率在35～50 Hz范围内取值，代入解算程序依次模拟、比较，西山矿区南回风井和北回风井回风机站风机运行频率取为45 Hz，新立矿区西回风井回风机站风机运行频率取为38 Hz，东回风井回风机站风机运行频率取为47 Hz时，系统总风量为752.24 m3/s，见表3，满足设计风量(745 m3/s)要求，两矿区-150、-240、-330、-420、-600 m中段贯通巷风量合计为8.52 m3/s。

多(级)机站通风软件计算机网络模拟解算结果具体为：

(1)西山南回风井-150 m水平回风机站，运行1台DK54-8-№27(2×280 kW/台)风机，叶片角度45°/40°。运行频率45 Hz，机站风量149.58 m3/s，实耗功率485.23 kW，机站效率67%。

表1 回风机站风机基础数据表

表2 回风机站原始数据表

表3 回风机站参数计算结果表

(2)西山新北回风井-150 m水平回风机站，安装1台DK46(CII)-8-№28(2×400 kW/台)风机，叶片角度为45°/40°。运行频率45 Hz，机站风量229.43 m3/s，实耗功率766.97 kW，机站效率65%。

(3)新立西回风井-165 m水平回风机站，安装1台DK62-10-№32(2×450 kW/台)风机，叶片角度为45°/40°。运行频率38 Hz，机站风量239.86 m3/s，实耗功率749.92 kW，机站效率84%。

(4)新立东回风井-165 m水平回风机站，运行1台BDK62-8-№26(2×250 kW/台)风机，叶片角度为45°/40°。运行频率47 Hz，机站风量88.37 m3/s，实耗功率280.28 kW，机站效率74%。

运用通风系统远程计算机集中监控技术在地表调度室对三山岛金矿两矿区主要回风机站风机运行变频进行综合调控，风机运行频率调为模拟值后，分析由贯通巷道设置的传感器传回主控计算机的风流参数。两矿区贯通处风流情况具体为：①-150 m水平贯通处风量5.26 m3/s，风向为西山矿区至新立矿区；②-240 m水平贯通处风量4.21 m3/s，风向为西山矿区至新立矿区；③-320 m水平贯通处风量2.19 m3/s，风向为新立矿区至西山矿区；④-420 m水平贯通处风量0.35 m3/s，风向为新立矿区至西山矿区；⑤-600 m水平贯通处风量1.59 m3/s，风向为新立矿区至西山矿区。贯通巷道相互流动总风量为13.60 m3/s(理论模拟值为8.52 m3/s)，两矿区风压基本达到平衡，见表4。

表4 通风远程集中监控系统监测数据

4 结 论

(1)通风远程集中监控系统成套装置及技术先进，布线简单，其通讯控制系统模块化，通讯网络分区化，具有投资省、故障率低、运行稳定可靠、系统维护简单、可扩展性强等优点。

(2)多机站通风系统的计算机远程集中监控，达到了提升矿山通风管理水平和通风效果，改善工人工作环境，间接减少与预防职业病发生率，保证矿山安全生产，实现通风节能降耗等目的，矿山通风系统节能10%以上。

(3)采用风机变频调速技术，在满足设计总风量要求的同时，各贯通处流动风量由90.60 m3/s减少至13.60 m3/s，有效缓解了两矿区之间污风相互串联影响，通风远程集中监控系统的稳定运行为加快推进矿山数字化建设进程迈出坚实一步。

[1] 贡锁国，洪候山，黄 欣，等.多级机站通风计算机集中监控系统[J].金属矿山，2002(4)：49-52. Gong Suoguo，Hung Houshan，Huang Xin，et al．Multi-level computer centralized monitoring station ventilation system[J].Metal Mines，2002 (4)：49-52.

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(责任编辑 石海林)

Application of Centralized Remote Control Technology in the Balance Regulation of the Ventilation System Air Pressure

Wang Jianbo1Zhou Wei2，3Wu Lengjun2，3Jia Anmin2,3

(1.SanshandaoGoldMine，ShandongGoldMining(Laizhou)Co.，Ltd.，Laizhou261400，China;2.SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo.，Ltd.，Maanshan243000，China；3.HuaweiNationalEngineeringResearchCenterofHighEfficiencyCyclicUtilizationofMetalMineralResourcesCo.，Ltd.，Maanshan243000，China)

Around the unbalance of air pressure appeared in two mining areas during deep mining of Sanshandao Gold Mine，such techniques as the remote centralized control technology of ventilation systems，the fan inverter technology and the underground ventilation parameter monitoring technology were adopted to realize the remote centralized monitor on the fans distributed in each underground fan station and the airflow pressure parameters at the main ventilation roadway.Based on the total amount of air meeting the design requirements，the air flow at each run-through was reduced from 90.60 m3/s to 13.60 m3/s through comprehensively regulating the frequency of fans at main return air fan station in two mining areas.By this method，cross pollution of the air between the two mines can be effectively alleviated.The stable running of the remote centralized ventilation monitoring system starts a solid step forward in accelerating the process of building the digital mine digitization.

Centralized remote control technology，Fan inverter technology，Pressure balance，Construction of digital mine

2015-01-20

王剑波(1962—)，男，高级工程师。

TD725

A

1001-1250(2015)-04-282-05