（控制科学与工程专业论文）矿井通风监控系统设计与开发.pdf

硕士学位论文 摘要 摘要 矿井通风系统是矿井安全生产的重要组成部分，矿井通风系统的 好坏，直接影响着矿井的安全生产、灾害防治和经济效益。矿井通风 风机风量的优化调节，可节省大量电能消耗。因此，建立一套数字化 的矿井通风机监控系统是改进现有矿井通风机系统工作状况的有效 手段。 针对国内外矿井风机监控系统现状，分析了矿井风机监测系统的 需求，提出了一种基于井下现场监控层、光纤通信网络层、地面监控 管理层三层网络的矿井通风监控系统方案，详细叙述了该系统的体系 结构。建立矿井通风网络模型，根据流体力学原理，简化沿程损失和 局部损失，使之符合矿井巷道风阻的计算，采用拟牛顿法解算通风网 络模型。设计井下远程监控节点硬件，给出了风机控制器、数据采集、 以太网等关键模块电路原理图；采用r t o s 与应用软件的分层结构， 移植| ic o s i i 与网络协议，开发软件驱动，设计实现了软件的通信、 数据存储、数据采集等功能，通过优先级分配，满足了系统实时性要 求。 基于建立的矿井通风网络，开发了矿井通风监控系统，实现了通 风系统的监控和矿井风量的调节，为矿井通风系统方案提供理论依 据，经济效益明显。 关键词：矿井通风监控系统；变频调速；通风网络；数据采集； l ic o s i i 硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t m i n ev e n t i l a t i o ns y s t e mi st h ek e yp a r to fm i n e ss a f ep r o d u c t i o n s o m ef a c t o r si n c l u d i n gt h es a f eo fp r o d u c t i o n ，t h ep r e v e n t i o no fd i s a s t e r a n dt h ee f f i c i e n c yo fe c o n o m i ca lei n f l u e n c e db yt h ec o n d i t i o no ft h e m i n ev e n t i l a t i o ns y s t e m t h eo p t i m a ls e l e c t i o no ft h ew i n dv o l u m ei n m i n ei sa l li m p o r t a n tw a yt os a v ee n e r g yc o n s u m p t i o nb yd e c r e a s i n gt h e u n b a l a n c eb e t w e e nt h es u p p l ya n dt h en e e d i ti sv e r yv a l u a b l et os e tu pa d i g i t a lm i n ev e n t i l a t i o nm o n i t o r i n gc o n t r o ls y s t e mf o ri m p r o v i n gt h e w o r ks i t u a t i o no fm i n ev e n t i l a t i o ns y s t e m b a s e do nt h ea c t u a ls i t u a t i o na n dt h ef u n c t i o no fm i n ev e n t i l a t i o n c o n t r o ls y s t e m ，t h ed e s i g ns c h e m eo fm i n ev e n t i l a t i o nc o n t r o ls y s t e mi s p r o p o s e dw h e r ei n c l u d e st h r e el a y o u t s ：m i n es i t em o n i t o r i n gl a y e r , o p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kl a y e r , g r o u n dc o n t r o lm a n a g e m e n t l a y e r ，a t t h es a m et i m e ，t h es y s t e ma r c h i t e c t u r ea l ed e s c r i b e d a c c o r d i n gt ot h e p r i n c i p l eo fh y d r o m e c h a n i c s ，t w ok i n d so fw i n dl o s s e sa l es i m p l i f i e dt o c o m p u t et h ew i n dr e s i s t a n c eo fm i n er o a d w a yc o n v e n i e n t l y , t h em o d e lo f m i n ev e n t i l a t i o nn e t w o r ki sb u i l d m i n ev e n t i l a t i o nn e t w o r km o d e li s c o m p u t e db yi n t e n dn e w t o na r i t h m e t i c 。砀ep r i n c i p l es c h e m a t i co fk e y c o m p o n e n t si n c l u d i n gf a n sc o n t r o ld i a g r a m ，d a t aa c q u i s i t i o nd i a g r a m ， e t h e m e td i a g r a ma l ep r e s e n t 1 1 1 es o f t w a r ei n c l u d i n gd r i v e rd e v e l o p - m e n t ，p r o p e rp f i o r i t ) 7 ；, c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt a s k s ， t c o s i ia n dn e t w o r kp r o t o c o lt r a n s p l a n t i n ga l ee s t a b l i s h e dt om e e tt h er e a lt i m ep e r - f o r m a n c e b ym e a n so fd e s i g n e dt h em i n ev e n t i l a t i o nn e t w o r k ，t h em o n i t o r i n g a n dc o n t r o ls y s t e mi sc o m p l e t e dt oa c h i e v et h ep u r p o s eo fc o n t r o l l i n gt h e v e n t i l a t i o ns y s t e ma n da d j u s t i n gt h em i n ea i rv o l u m eu l t i m a t e l y , w h i c h g a i n se c o n o m i cb e n e f i t s b e s i d e s ，t h e o r e t i cb a s i sa r ep r o v i d e df o rt h e 叩- t i m i z a t i o ns e l e c t i o no fs c h e m e so fm i n ev e n t i l a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：m i n ev e n t i l a t i o nm o n i t o r i n gc o n t r o ls y s t e m ，f r e q u e n c y s t r a t e g y , m i n ev e n t i l a t i o nn e t w o r km o d e l ，d a t aa c q u i s i t i o n ，1 tc o s i i 硕士学位论文绪论 第一章绪论 矿井通风系统是向井下各作业点供给新鲜空气并排出污浊空气的通风网络、 通风动力和通风控制设施等构成体系总称，是矿井生产系统的重要组成部分【l 】。 矿井通风系统的好坏，直接影响着矿井的安全生产、灾害防治和经济效益。矿井 通风风机风量的调节，是缓和目前电力供需之间不平衡的突出矛盾，实现节能减 排的重要途径。因此，建立一套数字化信息化的矿井通风监控系统是改进现有矿 井通风机系统工作状况的有效手段【2 3 】。 1 1 研究背景和意义 采矿工业是生产原材料的基础工业，在国民经济发展中占有重要的地位。矿 山生产处在危险复杂的环境中，井下作业的危险系数较高，矿山企业需要面对各 种突如其来的设备故障和自然灾掣4 1 。针对我国矿山企业的现状，我们应采取措 施提高矿山的安全生产水平，加强矿井安全生产监控技术及其方法的研究。从实 际出发，国内外学者提出了“数字矿山”概念【5 6 1 。 近年来，随着大红山铜矿生产能力的逐步提高和井下作业范围的逐步扩大， 井下通风问题已成为矿井安全生产急需解决的难题 7 1 。大红山铜矿在大主风扇通 风系统的基础上，通过采用多台辅助风扇串并联的办法构建井下多级机站通风系 统，较好地解决了大主风扇通风系统存在的一些通风问题。由于多级机站通风系 统的风机数量多，在井下分布的区域大。通风技术部及其下属的通风班组仅有8 名工人，他们既要负责全矿风机的安装和维护，又要负责全矿井下所有风机的巡 检和管理，控制与管理的难度很大。大红山通风系统采用人工监控的方式，具体 方法是在系统的要害部位放置温度计和风量测定仪，粉尘浓度传感器等检测设 备，由定时巡查的工作人员读取读数，填写记录。一旦发现系统异常，则汇报调 度室等待指示。具体说来，人工观测读表的方式极大地受到了各种主观因素的制 约，如工作人员的责任心、精神状态都会直接影响到监控的结果。一旦监控人员 出现疏忽，将导致数据误报、漏报，后果十分严重：另外，调度室无法在第一时 间得到系统的信息，不利于在关键时刻的及时调度；再者就是大量的数据不利于 保存和检索，也不方便数据图表的生成【8 】。因此，建立数字化的矿井通风监测系 统，可以实时检测风机的各种状态信息，完成各种现场数据的采集( 如生产工作 面和巷道内的粉尘浓度、c o 浓度、风速、电机的工作电压电流等参数) 、远程 遥控执行各种控制命令的执行等，极大简化了矿山的管理难度，提高了矿山的自 硕士学位论文绪论 动化水平。 风机与拖动它们的电动机，是全国通用的耗电设备。它们的数量众多，分布 面极广，耗电量巨大。国家经委能源局组织的1 9 8 3 年全国风机水泵用电调查表 明，1 9 7 9 年工业用电占全国用电量的6 6 8 ，而风机水泵用电约占全国用电量中 的3 1 ，这些统计数字充分说明节约风机水泵用电是目前工农业中节约电力的关 键所在【9 】。众所周知，风机素有“电老虎 的称号，我国风机产品的年耗电量占 全国发电总量的1 0 ，能耗惊人【1 0 】。目前，我国大多数矿用风机所担配的驱动 电机调速能力很差，且大多数是不调速的，控制以开关为主，基本未实现智能控 制，可靠性很差，一旦出现故障，查找原因很困难，耽误矿山的开采工作【1 1 】。通 风机的实际工作点长期偏离最高效率工作点，在井下，风机一接进电网便无控制 地长期满功率恒速运转，其转速不能随着风量需求的变化而变化，不能针对井下 工作面的实际情况调整矿井的各采区风量供应，这不仅浪费了大量电能，而且随 着工作面的推进，巷道距离加长，风筒阻力增大，矿井通风网络阻力特性变复杂， 常使用“全功率 运转，造成风速过高，吹扬巷道、液压支架等地方的积尘，反 而引起粉尘浓度的升高。造成电能浪费的另一个原因是是在选取风机时，出于安 全的考虑，往往选用较大的安全裕量，导致风机的风量经常远远超过实际需要。 通过调节风门开度来控制风机风量的方式，造成大量的节流损耗，这样的调节方 式导致了电能浪费十分严型1 2 , 1 3 。 大红山铜矿采用人工控制的方式，根据不同的需风量，人工控制各个风机的 停与开。这样的控制方式存在着极大的局限性与弊端，主要表现在两个方面：采 用人工监控方式的低可靠性和通风机的实际工作点长期偏离最高效率工作点，导 致的低效率和高能耗。 针对矿井通风系统数字化程度低，电能损耗大的现状，建立一套数字化信息 化的矿井通风监控系统是改进现有矿井通风机系统工作状况的有效手段，它可以 实现通风机系统要害部位数据的远程监控、近程监测、自动报警、数据联网等丰 富而完善的功能。同时，在对风量等系统输出量进行监控的基础上，还可以利用 计算机程序控制电动机调速装置来实现对通风机系统风量的全自动调节，从而提 高矿井生产的安全性，创造更高的经济效益。根据井下通风情况，远程对风机的 运行工况点进行实时控制和管理，降低设备能耗，通过对电机启动方式的优化和 调整，降低传统启动方式对电网的冲击和环境污染，可节省电网维护费上百万元， 有效防止重大安全事故的发生，避免由此造成的经济损失数百万元。 1 2 国内外研究现状 通风机向井下输送足够量的新鲜空气，冲淡有害气体的浓度和带走飞扬的粉 2 硕士学位论文绪论 尘，保证给井下作业的工人人员一个安全、可靠、良好的工作条件，被喻为“矿 井肺脏 ，通风机的运行好坏直接关系到矿井的安全与生产 1 4 1 。矿井通风技术研 究一直是世界采矿生产技术研究的重要课题之一，很多专家学者和工程技术人员 己经对此进行了大量研究，取得不少成果。 从世界先进国家的通风技术发展水平来看，许多国家如俄罗斯、德国和波兰 等国家很早开始了对于矿山通风的研究，它们对矿井通风的合理性参数和矿井通 风网络的优化进行了研究，并根据瓦斯、c o 和粉尘浓度等参数对通风机进行调 速，降低能耗，智能化程度高，对通风系统的安全性和抗灾行业做出很大贡献【”】。 日本有的金属矿山针对矿井的集中化生产，采用现代化的通风技术，保证了矿井 的合理供风【1 6 1 。波兰研制了集监控、计算、调速于一体的矿井通风系统，将各种 参数汇集到井上微机，由微机对各种数据进行处理，微机还能根据井下风量的需 求对通风机进行调速和风量控制，并可绘制出井下通风系统的立体通风网络图， 达到了矿井通风的先进水平旧。为了解决风机在运行过程中产生摩擦火花问题， 波兰等国使用具有阻燃、抗静电的碳纤维工程塑料制作风机叶片，德国、日本和 俄罗斯采用固热涂层【1 8 , 1 9 】。德国研制了t f c 系列动叶可调式通风机，该风机能 根据矿井开采所需风量和风压，可以在不停机的条件下及时合理的调节叶片的安 装角度，达到节能的作用【2 0 1 。 我国矿井风机监控与调节技术，在吸收了世界各国的先进理念的基础上，也 取得了众多引人注目的成果。近十年来，矿井通风系统的技术改造和建设正沿着 多元化的技术途径发展，这些途径包括分区通风系统，多级机站系统，主辅风 机系统，主通风系统和地温预热系统等【2 1 1 。冶金部矿山节能推广站从1 9 8 1 年就 开始研制适合于我国金属矿山的低压，大风量型节能风机，采用电机与叶轮直联 的传动方式，研制出k f t 型矿用通风机。上海鼓风机厂与原联邦德国t l t 公司 合作研制的g a f 型矿井轴流通风机，风量范围为3 0 8 0 0m 3 s ，风压范围为 3 0 0 , - - + 8 0 0 0 p a ，风压范围比值为1 6 3 ，g a f 型风机的调角技术在我国矿用风机中 到目前为止是最先进的【2 1 1 。广东韶关冶金机械厂和华中理工大学共同研究了g k j 系列局部通风机，在国内首先采用了准三元流理论设计，具有高风压、风量大、 噪声低、效率高等特点。东北大学与武钢大冶铁矿联合研制了w m i 系列矿用空 气幕，可以调节或隔断井下风流，可用作调节风门或者自动风门，已经在各个矿 山得以应用1 2 2 2 4 1 。 1 9 8 7 年元月，冶金部和中国有色工业总公司颁布矿井通风系统鉴定指标， 作为衡量与检测我国金属矿山通风系统状况的基本指标，可用于评价通风系统的 基本状况和经济状况【2 5 1 。 为了检验和改进主要通风机的运转性能，国内一些公司和院校研究了主要通 3 硕士学位论文绪论 风机性能的检测、监控和故障诊断系统或仪器仪表，并通过试验或应用取得了良 好的效果。煤科总院抚顺分院研制的z f i 型智能通风多参数测试仪可同时测量 压力、温度及风速三个通风参数。中国矿业大学研制出矿井主通风机性能在线监 测和通讯系统，该装置在计算机控制下，对井下的各种信息，如风速、风压、转 速、大气参数等进行检测，传输至井上微机进行保存，处理，并通过软件进行显 示，随后通过特定的软件绘制通风机性能曲线，基本达到了矿井通风的信息化处 理 2 6 1 。为了对风量进行控制和调节，为井下提供良好的风流环境，中国矿业大学 开发了各种软件，可以绘制矿井通风网络图，方便矿井风流稳定性的分析和通风 设计方案的选择，并为救灾系统提供了保障。此外，煤科总院上海分院、山西矿 业学院，辽宁工程技术大学、西安矿业学院等校和科研机构也都研制出了不同的 矿井通风机监控系统，也得到了一定的应用【2 7 2 引。 数字计算技术应用于矿井通风网络在近当代得到广泛研究。1 8 5 4 j j a t k i n s o n 在北英格兰采矿工程师学会上发表了一篇论文，从此奠定了一般流体 网络理论的基础【2 9 1 。1 9 5 3 年，s c o t t 和h i n s l e y 首先使用计算机来解决通风网络 问趔3 0 】。1 9 6 7 年，w a n g 和h a r t m a n 开发出包含多风机和自然通风网络的立体通 风网络模型，该软件的研究应用，为复杂通风网络模型的建立提供了基础。1 9 7 4 年，宾夕法尼亚州州立大学，s t e f a n k o 和r a m a n i 对通风系统网络发展做了很大 的贡献。他们在论文“矿井通风系统中柴油废气浓度的数值模拟中研究井下柴 油机对通风系统的影响，并提出一系列的相关数学公式，这些公式的有效性得到 了相关实测数据的检验【3 1 3 2 1 。 上世纪5 0 年代以来，我国矿井通风理论与技术研究也取得了很大进展，对 井巷通风阻力进行了测定和研究，根据流体力学理论对各种工作面流体传质方程 及污染物如c o ，粉尘浓度进行分析，建立了计算方法，为风量计算提供了理论 依据【3 3 1 。1 9 8 4 年，沈斐敏教授编写微型电子计算机在矿井通风中的应用，为 我国矿井通风网络解算知识的传播打下了基础【3 4 】。吴超在瑞典完成专著( m i n e v e n t i l a t i o nn e t w o r ka n a l y s i sa n dp o l l u t i o ns i m u l a t i o n ，讲述了国内外通风网络分 析的发展历史，阐述了矿井通风网络的基本理论，对理论给出了相关的实现代码 【3 5 3 6 】。1 9 9 1 年中国矿业大学的张惠忱编写了计算机在矿井通风中的应用，为 计算机在矿井通风领域的进一步应用提供了技术支持【3 7 1 。1 9 9 2 年赵以蕙等人根 据多孔介质流体力学理论，将采空区看作是非均匀的连续介质，气体在介质中流 动是过渡流，邻近层沼气稳定、均匀地涌入采空区，沼气在介质中的扩散符合 f i c k 定律，由此采用f o r t r a n 7 7 代码建立了在一系列稳态条件下的矿井通风网络 数学模型【3 8 】。 在风网解算算法研究中，s b a r c z y k z 于1 9 3 5 年提出了用逐次渐近法求解风 4 硕士学位论文 绪论 网，但鲜为人知趔3 9 1 。稍后，h a r d y c r o s s 研究出来一种用于流体网络流量进行 迭代计算的松弛过程，并于1 9 3 6 年在伊利诺斯大学公报上发表。从此h a r d y c r o s s 方法作为流体网络的分析过程己经被大家所公认【4 0 , 4 h 。本文用于模拟通风网络的 拟牛顿法也是基于此法进行开发的。 从总体来看，我国矿井通风的技术水平还处于相对的落后状态。通风系统的 可靠性低，现有的轴流式风机效率低、电耗大。矿井通风机在线监测水平低，控 制功能弱，对通风机的控制和故障诊断基本上还处于研究阶段【4 2 】。矿井通风机的 在线监控系统是一个独立的系统，未与整个矿井通风系统和矿山的安全生产管理 相结合。矿山的风机管理信息化程度不高，通过原始的人工监测和起停为主，不 能及时反映风机的各种的运行状况和控制风机的运行。风量的控制主要采用挡风 板，改变导向叶片方向进行调节，风机以满功率进行运转，能耗大，能源浪费严 重。矿井网络模型研究还处于理论研究阶段，还未应用于风机风量调节。因此， 建立以矿井巷道网络模型的风量值为参考的矿井通风监控系统能大幅度提供矿 山的数字化水平，产生巨大的经济效应。 1 3 论文的研究内容和章节安排 根据对云南大红山铜矿通风系统的实际特点，并结合国内外现有矿山通风系 统研究现状，针对目前矿井通风监控系统的一些固有缺点，本文中研究开发一种 基于嵌入式技术和变频调节的矿井通风监控系统。系统分为三层进行实现，井下 现场监控层、光纤通信网络层、地面监控管理层，详细介绍井下监控子节点的硬 软件实现，给出核心部分硬件实现图和软件代码。对矿井通风网络模型进行了研 究，将巷道网络简化为六种模型，将流体力学风阻计算运用至模型中，对模型解 算算法进行研究。 根据论文的内容对本文结构安排如下： 第一章绪论。概述课题的研究背景以及矿井通风监控系统的国内外研究现 状，给出论文研究内容及章节安排。 第二章矿井通风监控系统总体架构设计。描述矿井通风安全生产的关键影响 因素，分析实际系统需求，提出运用变频调速的控制策略对大红山铜矿进行风量 调节。矿井通风监控系统包括三层：井下现场监控层、光纤通信网络层、地面监 控管理层，说明矿井通风监控系统的三层实现结构，给出实现框图与具体思路。 第三章矿井通风网络模型。针对矿井通风巷道，简化巷道模型，基于流体力 学原理，计算巷道风阻，建立矿井通风网络模型，对模型进行解算，运用此模型 分析大红山铜矿巷道实际数据，证明模型的正确性。 硕士学位论文 绪论 第四章井下远程监控子站硬件设计。具体设计风机监控器硬件结构，包括主 处理器模块，电源模块，存储模块，数据采集模块，4 8 5 通信模块等，给出核心 部分硬件实现图，对变频器和系统所用各种传感器进行选型。 第五章井下远程监控子站软件设计。运用r t o s 进行设计，分层实现软件系 统。移植操作系统内核和网络协议，编写软件驱动，编写任务实现软件的具体功 能，分配任务优先级，编程实现任务之间的通信，实时性高。 第六章结论与展望，总结全文，对下一步的工作进行展望。 6 硕士学位论文矿井通风监控系统设计 第二章矿井通风监控系统设计 矿用通风机作为“矿井肺脏 ，它的运行好坏直接关系到矿业生产的安全进 行，矿用通风机的检测与调节对整个矿山的生产与安全作业有着重要的意义。数 字化监测系统的建立，就是要对矿井通风机系统的重要工作参数进行采集和处 理。检测系统是整个矿井信息化系统建设的基础，只有建立起行之有效、切实可 靠的检测系统才能保证井下的安全作业。通过交流调速技术，调节系统可以降低 能耗，产生巨大的经济效应，实现节约电能与提高效率的目的。通过检测系统所 反馈的风机风量，调节系统可以根据p i d 自动调节风机的转速，达到风量输出 的优化，实现良好的井下作业环境。 2 1 通风系统安全生产的关键因素分析 风机是传送空气的机械，其运行的好坏，直接关系到矿井的安全生产，其运 行的效率，直接关系到矿井的经济效益。矿用通风机安全运行，必须对其运行参 数做必要检测，针对不同情况执行合适的操作；矿用通风机，必须运行在最佳效 率工作点，才能最大限度的减少能源浪费。确定通风机的调节方式，是实现节能 的最大关键，因此需要确定风机的各种影响参数【4 3 j 。 1 风量 根据金属与非金属地下矿山通风技术规范，矿井所需风量按井下同时工 作的最多人数计算，供给新鲜风量不得少于4 m 3 r n i n ，并且按各种工作状况( 如 爆破，排尘等) 的不同，各个工作面所需的风量也不同。过多的风量供给会浪费 电能，降低经济效益，甚至会因为风量过多，使风速过大，超过最优排尘风速， 引起粉尘浓度的升高。过低的风量供给，不利于井下工作环境的改善和有害物质 的排出，影响正常生产，甚至可能造成安全生产事故。因此，如何把风量控制在 一个合适的范围，是节能的关键。 2 风机和电机轴承温度、电机定子温度 在风机的运行过程中，对轴承的温度监测特别重要。轴承过热可能是轴承的 损坏、转子不平衡、转轴弯曲等原因所导致，轴承长时间工作在过热的状态下， 不仅损坏轴承还可能引起风机的振动、抱轴等危险，所以对风机轴承温度和电机 轴承温度进行实时监测显得很重要。同样，由于同步电机是风机的传动元件，电 机日夜不停的工作，如果电机定子散热不好，电机依然持续工作，会加速电机定 子绕组和励磁绕组的绕线绝缘漆快速老化，如果不能及时得到解决会有烧电机的 危险，直接导致矿山停产，所以对电机的定子温度的监测也是风机监测环节中不 7 硕士学位论文矿井通风监控系统设计 可缺少的一部分。由于在风机和电机的生产过程中，生产厂家已经将温度传感器 置入了风机和电机轴承座内和电机的定子的检测点，所以这里不需要对其描述过 多，传感器引出的信号可以直接使用。 3 粉尘浓度与c o 浓度 矿产资源开采与利用满足了国民经济快速发展对矿产资源需求。由于粉尘的 危害使从业人员所付出的健康甚至生命的代价已经成为人们关注的焦点，尤其是 资源开采工程中所产生的粉尘导致职业病的发生，直接危害着从业人员的身体状 况。根据金属与非金属地下矿山通风技术规范要求，进风井巷、采掘工作面 和井下其他产尘点的风源含尘量应不超过0 5 m g m 3 。所以对矿山尤其是井下开 采的矿山作业场所进行粉尘的监测，对于从源头上控制职业病的发生，确保从业 人员的健康尤为重要。c o 是在矿山开采中炮烟的主要成分，当浓度过高时，会 导致窒息、中毒，因此需要对c o 浓度进行检测。 4 电力参数 电力参数包括电机的三相电流、电机的三相电压、电机功率、功率因数。及 时了解这些参数信息，可以监控电机的运行状况。当系统由于故障等原因引起电 压或电流等信号偏大时，系统自动切断电网给电机供电，保护风机的运行。同时， 为风机系统的故障诊断提供依据。 5 环境温湿度 根据金属与非金属地下矿山通风技术规范要求，当温度等于或低于_ 4o c 地区的进风竖井、等于或低于5o c 地区的进风斜井、等于或低于- 6 。c 地区 的进风平硐，应设置空气加热设备，并应满足进入井巷的冷、热空气混合后的空 气温度高于2o c 。矿井的温湿度不宜，会对井下工作人员的健康带来很大威胁， 甚至导致一些矿井恶性事故的发生，给矿井的安全生产及其日常管理带来了极大 的威胁【4 4 1 。 2 2 系统功能需求分析 矿井通风系统是矿井安全生产和灾害防治的基础，随着科学技术的不断发展 和计算机应用的普及，对生产设备的管理要求越来越高，在恶劣环境下实现在线 监测、控制，实现对通风机运行的优化控制，是设计此矿井通风系统的目的。结 合矿山生产过程的实际需求和综合监测系统的一些基本功能，本系统应该具有以 下几个功能： 1 监测与报警功能 ( 1 ) 关键参数的检测，包括温湿度、风量、c o 气体、矿尘等环境参数。 ( 2 ) 机电设备运行状态的检测，包括风机和电机轴承温度、电机定子温度、 硕士学位论文矿井通风监控系统设计 电机电压电流等的监测。 ( 3 ) 报警与预警，如温度、一氧化碳超限、电流超限等报警，对可能发生的 警情进行预警。 ( 4 ) 信息的显示与提示，如各种参数信息、地点、时间、声音提示等。 ( 5 ) 监测数据记录保存、统计及报表打印输出，对上级部门发布数据，实现 矿井的远程监测。 2 控制功能 ( 1 ) 风机的启停和正反转控制，可以手动或者远程发布命令控制风机。 ( 2 ) 风机的远程调速控制，实现变速调节，达到节能的目的。 ( 3 ) 显示各种运行工况，如风量，工作电压、工作电流、故障信息等，并能 记忆至少十次故障，便于事故分析。 ( 4 ) 控制上下位机通讯，与上位机联网通信，将故障信息、风机运行状况等信 息传送到上位机，同时上位机可以实时要求下位机传送所需数据。 2 3 矿井通风网络与变速调节 2 3 1 矿井通风网络模型 矿井通风网络模型的建立和解算，是长期以来通风界研究的热点和难点之 一，也是矿井通风安全技术工作者十分关注的问题。大红山铜矿已经投产开采， 各种通风巷道和通风设施已经确定，无法对整个通风网络进行重新规划和建设， 即矿井的通风网络已经确定。在矿山安全生产中，某些巷道需要供给固定风量， 以满足安全生产实际风量需求，即存在合理安设调节风窗和合理调节通风机功率 的问题，达到使矿井空气动力消耗最小和使通风费用最小的目的【4 5 1 。 通过对大红山通风网络进行建模，在此基础上对整个网络进行风量模型解 算。在求解过程中，将某些巷道固定风量需求值作为已知值进行代入，计算出满 足此风量需求时矿井通风机需要提供的风量，作为通风机风量调节系统的参考 值，使通风机始终工作在最佳效率点上，使之既能满足生产需要，又节省大量电 能，产生巨大的经济效应。 2 3 2 变速调节 风机使用传动电动机是交流异步电动机，其耗电量约占企业全部电耗的6 5 左右，而风机负载其能源利用率和功率因数都比较低，严重制约着企业经济效益 的提高，这类设备的节电问题已变得越来越重要和迫切。在通风工程系统设计中， 一般按系统所需的最大风量、最大风压并考虑一定的富裕量来选择风机，但实际 运行中，外界的负荷是不断变化的，当风机所产生的流量不能满足外界负荷的变 化时，则需要人为地对风机的工况点进行必要的改变和控制，以满足外界负荷变 9 硕士学位论文矿井通风监控系统设计 化，这称为风机的工况调节【4 6 4 引。 变速调节是指通过某种方式改变驱动电机的转速达到调节风量的目的，变速 调节风机的流量，管道系统的阻力不变，( 日一9 曲线却随着转速r t 的下降，向 流量与压头同时减小的左下方移动，对应的消耗功率曲线也向下移动。从图2 1 来看，风机转速由n l 降到拧2 ，特性曲线5 表明了转速，1 2 下的风压与风量( 日一q ) 关系，从图中可以看出，系统既可以满足风量q 2 ，同时大幅度降低风压h 3 ， 同时，轴功率p 3 ( 相当于面积c h 3 0 q 2 ) 以及节省的功率损耗 p = ( h 2 - h 3 ) q 2 = a h q 2 也得到显著降低，可以大幅度降低能耗，产生经济效 应。 h h 2 h l h 3 o 图2 1 风机的特性曲线 交流电动机的同步转速与电网频率成f o 正比，即n o = 6 0 f o p 。大红山矿 用通风机与交流电动机为轴联接下的直接驱动方式，通过变频器改变交流电机的 运行频率，即可调节通风机的转速，且交流电动机为鼠笼式异步低压电机，适合 变频调节，同时可以把风门节流阀调节到最大，降低管道阻力，减少管道损耗。 使用变频技术还可实现节能，降低噪声，保护环境，提高电动机功率因数，提供 欠压、过压、过流、过载、短路等多种保护的功能，这些是本文应用变频调速技 术的目的。 2 4 系统总体方案 系统控制采用集中控制方式，通风系统主控制机站可设于斜坡道井口值班室 和矿山调度室，用于对整个系统的统一控制及管理操作，在各风机机站安装远程 子站，采用光纤以太网通讯方式与主机站连接，各子站电气设备受主机站统一控 制。系统分为三层：井下现场监控层、光纤网络传输层、地面监控管理层，其总 体架构如图2 2 所示。 大红山矿井通风监控系统采用网络化控制方式，每一台风机、与风机相连的 风机控制器、变频器及用于检测现场作业区环境参数的传感器组成一个风机远程 1 0 硕士学位论文 矿井通风监控系统设计 监控子站，矿区内所有监控子节点组网构成井下现场监控层。此层主要完成两个 功能，一是通风系统参数检测功能，完成现场数据的采集( 如生产工作面和巷道 内的粉尘浓度、c o 浓度、以及电机的工作电压电流等参数) 、一些控制命令的 执行以及现场操作指令完成等功能；二是风量调节功能，风机控制器根据地面主 控制机站给予的参数，控制变频器输出不同频率，实现p i d 控制，从而控制异 步电机转速，达到控制风量的效果。 光纤通信网络层采用树形拓扑结构，尽量利用已经建成的矿山数字化光纤线 路，补充必要光缆，连接全部风机远程监控子站与主控制机站成一个完整的控制 系统。光纤通信网络层是由数字矿山综合通信控制器、各种无线有线设备、光纤、 路由器、智能网络电源等组成的综合通信网络。该层是“大红山铜矿数字矿山建 设技术研究”的重要内容之一，目前，大红山铜矿已实现这一层的功能。 地面监控管理层由主机站构成，一方面用作系统的人机交互界面，显示远程 风机的运行状态、监视风道的风量、粉尘浓度、电压电流、温湿度等信号，以便 管理人员查看。另一方面，管理人员可通过监控系统发布远程控制命令，对风机 进行远程启动停止控制与风量控制等。同时，由现场监控层发送上来的监测信息 和地面监控管理层发送的控制命令及时保存到数据库中，便于企业管理和事故分 析。 地面 井下 图2 - 2 大红山矿井通风监控系统 2 4 1 井下现场监控层 现场监控层由风机远程监控子站组成，子站框图如图2 3 。此层设计的目的 是完成各种数据的采集，完成与地面系统监控层的数据传送与接收，对各种数据 进行处理并进行显示，完成数据的存储功能，执行各种控制命令，其核心为风机 硕士学位论文矿井通风监控系统设计 控制器的设计和实现。 各种传感器信号经a d 转换成数字量后被送至风机控制器。温湿度、粉尘 浓度、c o 浓度通过安装特定的传感器获得数据，电压电流以及定子温度等信号 直接接入风机控制器即可，风机控制器负责对数据的处理，并将其在液晶上显示， 方便现场调试和控制。一些必要的控制命令通过键盘向控制器进行传送，执行相 应的操作。风机监测信息通过网口向地面上位机系统进行传输，并通过网口接收 上位机系统命令。每一个风机控制器有一个固定唯一的m 地址，通过t c p i p 协 议与数字通信网络进行信息交换。 地面主站风量控制信号经光纤通信网络传送至风机监控子站的风机控制器， 信号通过r s 4 8 5 传送至变频器控制风量的输出。风机控制器，变频器，电机， 风机与风量传感器组成闭环控制系统，其控制策略为p i d 控制。风机控制器可 直接接收转速传感器中的4 - - 2 0 m a 模拟信号，经p i d 调节后，由变频器输出频 率控制异步电机转速，达到风量控制的目的。 地面 主机站 光纤 通信 网络层 温湿度 传感器 c o 浓度 传感器 粉尘浓度 传感器 种传感器信号 风机 控制器 液晶li 键盘 显示ll 控制 号 电机轴承温l 电机定予温 度传感器j 度传感器 异步 电机 图2 3 风机监控子站框图 风机轴承温 度传感器 风机 风量 传感器 2 4 2 光纤网络传输层 矿井多媒体综合智能数据网是“大红山数字矿山建设 项目的前期工程，现 在大红山铜矿已经建立了基于光纤的m s t 网络，矿井通风监控系统只需增加必要 的光纤，交换机等必要的通讯设备即将井下现场监控层接入网络。现对m s t 网络 做一个简单介绍，其框图如下图2 4 。 m s t 网络的功能主要有： 语音通信； 1 2 鲨姗 硕士学位论文 矿井通风监控系统设计 生产现场视频监测； 电子标签，用于人员、车辆和移动设备的定位； 开放而且方便的网络接入点； 光纤主干网，并能支持环网冗余； m s t 主干网可为1 0 0 m 的多模光纤，两个节点之间的通信距离可达7 5 0 m 。 m s t 接入点的供电电源和光纤做成复合电缆，全部由一个供电电源提供。系统中 设计射频r f i d 卡作为i d 卡，读卡距离可达2 , - - , 8 0 m ，每一个接入点都集成i d 卡读 卡器，读卡器的数据通过接入点汇入主干网内。风机监控层的每一个风机监控子 站都有固定的口地址，通过网线接入m s t 网络接点即可实现数据的传输。 ! 哥2 - 4m s t 系统框图 w i 行 m 卡 2 4 3 地面监控管理层 上位机监控软件的功能有“远程测量 、“远程控制 、“远程调速”、“远程监 控 和“数据处理 五大功能。 “远程测量指的是风机运行的各种参数，包括电量参数如工作电压、工作 电路、功率、效率等以及非电量参数如风量、风压、温湿度、粉尘和c o 浓度等 经过传感器采集后，通过风机控制器进行测量和处理，通过光纤网络传输层传输 到地面监控室的服务器( 上位机) 进行进一步处理。 “远程控制”指井上工作人员在上位机内通过监控软件实现对风机监控子节 点的风机启停控制，正反转控制等。 “远程调速”指井上工作人员在上位机通过操作监控软件，计算出风机需提 供风量值，实现对远端的风机转速以及温湿度等参数的实时设定。 “远程监控”指在上位机监控软件上实时显示通风系统的运行情况。 “数据处理”指上位机软件将矿井通风监控系统的各种运行参数以及各种命 令信息等的存储至数据库，编写数据库处理程序对这些数据进行管理，方便企业 1 3 硕士学位论文 矿井通风监控系统设计 的信息化管理，同时为各种事故处理提供原始数据。 地面监控管理层主要由主控计算机构成，信号通过光纤传输网络进行交换。 井下各个风机监控远程子站都有固定的口地址，当主控计算机需要采集数据或执 行设备动作时，主控计算机发送命令到通讯网络中，通过地址辨认，相应的监控 节点响应主机的命令，将检测到的数据传输给计算机或根据相应命令做出相应的 响应，达到实时监控的目的。地面监控管理层按照一定的频率将实时数据存储至 数据库中，方便查询和统计。当风机监控远程子站某部分数据超限时，执行报警 功能。 2 5 本章小结 分析了矿井通风监控系统安全生产的关键因素，描述系统的功能需求，探讨 矿井通风网络模型与变速调节在本文应用意义。给出总体方案设计，系统包括三 层：井下现场监控层、光纤网络传输层、地面监控管理层，详细说明各层的功能 与要求，给出实现思路与系统框图，为系统的实现提供了理论支持和研究思路。 1 4 硕士学位论文 矿井通风系统模型 第三章矿井通风网络模型 矿井通风监控系统的设计目的，是在满足矿井通风足够的风量和合适风压的 基础上，降低风机的能耗，使通风机运行轴功率最低，通风机工作效率最高，通 风机工作在最理想的工况点。井下开采中，某些巷道需要供给满足安全生产的风 量，如掘进巷道需要满足最低的风量需求。本章对矿井通风系统进行建模仿真， 可以根据巷道固定风量求出各个通风机应提供风量，为通风系统的经济运行提供 依据。 3 1 矿井通风网络建模 矿井通风网络可以看作一个流体网络，但与一般的流体网络有所不同。矿井 内的气体速度慢，压力低，气体流动在湍流状态；巷道内进行各种作业，沿途损 失和局部损失比较大，其阻力区域为湍流粗糙区；巷道里废弃巷道和新增巷道比 较多，风向改变大【4 9 ，5 0 1 。不同于一般的流体网络，矿井通风网络忽略温度影响， 即忽略自然风压的影响，全面考虑风阻的影响。通风网络基于以下原理来建立模 型。 风量平衡定律：矿井风量平衡定律是指对任一通风网络中的任一节点，在任 一时刻，流出( 或流进) 该节点的所有支路风量的代数和为零。 回路风压平衡定律：回路风压平衡定律是指对于任一风网中的任一回路，在 任何时刻，沿着该回路的所有支路阻力与动力的代数和为零。 矿井空气流动定律：矿井空气流动定律是指风流在通风网络中流通所遵循的 阻力定律，第二章已经提过。可以用下式表述：岛= 足q 2 ，式中忽为第i 条支路 所消耗的风压，p a ；r 为第f 条支路所具有的风阻，n s 2 m 3 ；q 为经过第i 条 支路的风量值，m 3 s 。 3 1 1 节点风量平衡模型 根据质量守衡定律，在矿井通风网络中，流入和流出任意一个节点的所有流 量的代数和等于零，这就是节点风量平衡定律【5 1 】。设矿井通风网络图的节点数 目为m ，分支数为1 1 ，对于节点f ( 1 一m ) 的节点流量平衡方程为： 9 = o ，薯l 式中，g 为分支的风量，m 3 s ： 嘞为表示各分支风量的符号函数，定义如下： ( 3 - 1 ) 硕士学位论文矿井通风系统模型 嘞= 1 ，表示f 节点为j | f 分支的端点且g 流向该节点； - 1 ，表示f 节点为，分支的端点且g 背离该节点； 0 ，表示i 节点不是，分支的端点。 当网络节点数目为m 时候，可以得到m 个节点风量平衡方程，将方程( 3 1 ) 写成矩阵形式如下： b x q = 0( 3 - 2 ) 式中召为网络图的关联矩阵，其元素匆，定义如下： f l ，表两节点与f 分支关联，且为分支7 的起始节点： = - 1 ，表两节点与i 分支关联，且为分支，的末节点； io ，表示，节点与f 分支不关联。 矩阵中，每一行为对应节点方程中风量，每一列为风网中确定的分支。式中 共有方程数目m 个，按照图论的观点，关联矩阵召的m 个行向量线性相关，其 秩为m 1 ，且任意m 1 行向量线性无关。所以，m 个节点可列出m - 1 个互相独立 的方程，利用图论理论，可以将这m 1 个方程以矩阵的形式表示为： b 。q = 0( 3 3 ) 其中曰。为网络图的基本关联矩阵，( m 一1 ) x n 阶矩阵，由关联矩阵曰删除一行得 到，被删除行对应的节点称为参考节点。 3 1 2 回路风压平衡方程 按照回路风压平衡定律，通风网络中气体流动必须遵守能量守恒定律。即在 通风网络的任意回路中，气流沿回路方向流动的动力与阻力的代数和为零，用方 程表示为【5 2 】： 勺( 所- p o , ) = o