（机械电子工程专业论文）基于plc的矿井局部通风监控与报警系统研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 基于p l c 的矿井局部通风监控与报警系统研究 机械电子工程 时磊 薛河 龚晓燕 摘要 ( 签名) ( 签名) ( 签名) 长期以来，我国矿井局部通风系统的控制设备陈旧、技术落后、性能不可靠、功能 不健全、设备布置分散、维护困难，无法满足掘进工作面连续通风和瓦斯安全排放的要 求，这种局面大大制约着我国煤矿井下安全生产技术的发展。因此，研究矿井局部通风 监控与报警系统具有重要的现实意义。 本论文以矿井局部通风系统实际运行情况为研究背景，对矿井局部通风关键故障单 元、检测和报警参数以及控制技术进行分析，提出了基于p l c 技术的矿井局部通风监 控与报警系统的总体解决方案，并对相应的软硬件原型系统进行了设计、搭建和测试。 主要完成以下具体研究内容： 1 在对目前矿井局部通风系统关键故障单元及故障检测、控制与报警技术分析基础 上，对矿井局部通风监控与报警系统实现的性能参数及关键技术进行了研究。 2 建立了基于p l c 技术的矿井局部通风控制与报警系统的总体结构、功能模型；分 析和研究了系统的工作原理和控制方式。 3 对矿井局部通风硬件系统进行了分析、设计和搭建，其中包括：各故障检测单元 和报警设备类型及安装位置确定；局部通风机p i d 变频调速及算法、电动机继电保护、 双机自动切换、瓦斯电闭锁等控制和报警功能设计和实现；系统控制和报警操作柜设计 搭建；远程实时监控通讯功能的设计。 4 对矿井局部通风监控与报警软件系统功能需求进行了分析，建立了系统功能模型； 以组态王工控软件为开发平台，设计和开发了矿井局部通风监控与报警软件系统，实现 了井上实时远程监控和报警功能。 5 通过对矿井局部通风现场运行状况的模拟，对局部通风监控与报警系统进行调试， 进一步改进了系统的设计方案及控制策略，并优化了软硬件系统。研究结果表明该系统 的设计思路合理和可行，经过进一步完善和成果产业化转化可以用于煤矿现场，以提高 矿井局部通风安全管理的自动化和智能化程度。 关键词：局部通风；故障检测；故障报警；p l c 控制；远程监控 研究类型：应用研究 本课题得到陕西省教育厅项目( 项目号：0 7 j k 3 1 1 ) 和陕西省自然科学基金项目( 项目 编号：2 0 0 5 e 2 0 2 ) 的资助 s u b j e c t ：r e s e a r c ho nm o n i t o r i n ga n da l a r ms y s t e mo fl o c a lv e n “l a t i o n i nc o a lm i n eb a s e do np l c s p e c i a l 略 ：m e c h a n i c a le i e c t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e ：s h il e i s u p e r v i s o r ：x u eh e g o n gx i a o y a n a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t ur e ) 吼：以 f o ral o n gt i m e ，s o m el o c a lv e m i l a t i o ns y s t e m si no u rc o u m 巧a r eo b s o l e t e e q u i p m e n t s ， b a c k w a r di nt e c h i l i q u e ，u n 鹏l i a b l ei np e r f o m l a n c e ，u n s o u n d i i l d i s p e r s i r 培i na r r a i l g e r n e n t ，d i 伍c u h i nm a i m e i 眦l c e ，w i l i c ha r eu n a b l et 0 i nc o n t i o l 劬c t i o n ， m e e tt l l e r e q u i r e m e n to fc o n t i n u o u sv e n t i l a t i o n a l l ds a f e l yd i s c h a r g i n gg a si l lh e a d i n gf a c e s t h e s i t u a t i o nh a sb e e ns e v e r e l yr e s t r i c t i n gm ed e v e l o p m e n to ft h es a f ep r o d u c t i o nt e c h n 0 1 0 9 yo f o u rl o c a lm i n e 1 1 1 e r c f o r e ，i ti so fp r a c t i c a ls i g l l i f i c a n c et o 咖d yt l l em o i l i t o m ga n da l a n n s y s t e mo fl o c a lv e n t i l a t i o ni nu n d e r g r o u n d “v i n gf i a c e t h i st h e s i si sb a s e do nn l ea c t u a lo p e r a t i o no ft h em o n i t o r i n g 趾da l a 姗s y s t e mo fl o c a l v e n t i l a t i o ni nu i l d e 唱r o u n d 埘v i n gf a c e na n a l y z e st l l ec r i t i c a lf a i l u r eu i l i t ，c o n 仃o l 锄da l a h l l p a r a m e t e r s ，c o n t r o lt e c h n o l o g yo fm es y s t e m ，p u t sf o r 、) l ，a r d a no v e r a ns o l u t i o no fl o c a l v e n t i l a t i o nm o n i t 0 曲ga n da 1 黝s y s t e mb a u s e do np l ct e c h n o l o g y 锄dd e s i 鲈s ，b u i l d sa n d t e s t e st h ec o r r e s p o n d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep r o t o 勺，p eo fl o c a lv e n t i l a t i o ns y s t e m t h e m a i ni e s e a 】汜hc o n t e n ti sa sf o l l o w s ： 1 o nt h eb a s i so ft h ef | a i l u r ed 呶t i o i l i n o n i t o r i n ga n da l 锄t e c h n o l o g yo fl o c a l v e n t i l a t i o ns y s t e m ，i td e t e 肌i n e st h em 雨o rf a i l u r eu 1 1 i t sa i l da n a l y z e st h ek e yp 眦衄e t e r so f a l a n ns y s t e ma n dc r i t i c a lt e c l l l l o l o g y 2 ne s t a ：b l i s h e st _ h eo v e r a l ls n u c t _ i j r eo fl o c a l b a s e do np l ct e c h n o l o g y ，a n a l y z e s 跚l dr e s e a r c h e s m e t h o do ft h es y s t e m v e n t i l a t i o nm o m t o r i n ga n da l a r ms y s t e m a _ b o u tt 1 1 eo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dc o n t r d l 3 i ta i l a l y z e s ，d e s i g n s 锄de s 诚) 1 i s h e st h el o c a jm i n ev e n t i l a t i o ns y s t e mh a r d w a u r e ， i n c l u d i n gt h et y p ea i l d t 1 1 el o c a t i o no f 谢o u sf a u l td e t e c t i o na n da l a n ne q u i p m e n t ，p i d 丘e q u e n c yc o n t r o l ，t h er e l a yp r o t e c t i o no fe l e c t r i cm o t o r a u t o m a t i cs 、v i t c h i n go ft v 旧m o t o r s ， g a u sa n de l e c t r i cl o c 妯n g ，t h ec o m m c a t i o no fp l c a n di n v e n e r ，e l e c t r i c a lc o n t r o lc a b i n e t n h a sa l s or e a l i z e di n s t a n tc o m m 嘣c a t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e ma n dt i l er e m o t em o n i t o r i n g c o m p u t e rb yu s i n g t h et e c h n o l o g yo ff i e l d b u sc o m m u n i c a t i o n s 4 na n a l y z e sm es o r w a r er e q u i r e m e n t so fl o c a lv e n t i l a t i o nm o i l i t o r i n ga i l da l a n i ls y s t e m a n de s t a _ b l i s h e st h e 如n c t i o nm o d e lo ft h es y s t e m ；b yt a l ( i n gt h ek i n g v i e wi n d u s t r i a lc o n t r o l s o 小v a r ea st h ed e v e l o p m e n tp l a t f o 锄，d e s i g n sa i l dd e v e l o p sm es o 胁a r ef o r t h em o n i t o r i n g a n da l 锄s y s t e mo fl o c a lv e n t i l a t i o na i l da c m e v e st h e 如n c t i o no fr e a l t i m em o n i t o r i n ga i l d q u e 巧1 ea l a 蛐i n f o m l a t i o no ft h es y s t 锄m o r e o v e r ，m ep e r s o n n e lw h o h a st h em a l l a g e m e n t a u t h o r i t yc a ns u c c e s s 向l l yf i i l i s ht h eo p e r a t i o no fl o c a lv e n t i l a t i o ns y s t e m ，s u c ha st l l es t a r t i n g ， a l 锄一c l e a r i n ga n dt h ef - a i l u r ed i a g n o s i so fh a r d w a r ec i r c u i t ，w h j c hr e d u c e st h el a b o ri n t e n s i 哆 o ft h eo p e r a t o r sa r l di m p r o v e st h ee 确c i e n c yo fc o a lp r o d u c t i o na n dt h ed e g r e eo fa u t o m a t i o n 5 b ys i m u l a t i n gt h es i t u a t i o no fm i n e 嘶v i n gf a c e ，i td e b u g sl o c mv e n t i l a t i o nm o n i t o r i n g 砒l da l 锄s y s t e m ， i r t h e ri m p r o v e st l l el o c a lc o a lm i n ev e n t i l a t i o ns y s t e md e s i g na i l dc o m l 0 l s t 】眦e g i e s ，o p t i i i l i z e ss y s t e ms o r w a r e s t 】m c t u r e s t b s tr e s u l ts h o w st h a t ：t t l es y s t e mi sd e s i g n e d p r o p e r l ya i l dt h es y s t e mo p e r a t i o n i ss t a b l e ，w i l i c hh a sr e a c h e dt h ed e s i r e dd e s i 印o b j e c t i v e s k e y w o r d s：l o c a lv - e n t i l a t i o nf a u l td e t e c t i o n f a u l ta 1 a n i lp l cc o n t r o l r e m o t em o n i t o r i n g r e s e a r c h 珂p e ：a p p l i e d r e s e a r c h t h i sp r o j e c ts u p p o r r t e db ye d u c a t i o nb u r e a us c i e n c ef o u n d a t i o no fs h a a n x i ( n o 0 7 j k 31 1 ) 锄dn a _ t l l 阳ls c i e n c ef o u u l 拙i o no fs h a a n x i ( n o 2 0 0 5 e 2 0 2 ) 娄料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究t 作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 、1 学位论文作者签名：时磊 日期： 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适心本声明。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年月日 1 绪论 1 1 引言 1 绪论 虽然近年来国家不断加强煤矿安全管理力度，但是煤矿瓦斯事故仍然屡有发生，给 国家财产和人民生命安全造成重大损失。据统计，1 9 9 0 1 9 9 9 年的1 0 年间，我国煤矿共 发生3 人以上的死亡事故4 0 0 2 次，共死亡2 7 4 9 5 人，其中瓦斯爆炸事故2 7 6 7 次，共死 亡2 0 6 2 5 人，占死亡事故总人数的7 5 o l 嘣。仅2 0 0 5 年2 月1 4 日1 5 时，辽宁省阜新 矿业有限责任公司孙家湾煤矿海州立井发生的重大瓦斯爆炸事故，就造成2 1 4 人死亡， 3 0 人受伤，直接经济损失4 9 6 8 9 万元。事故的直接原因是大量瓦斯异常涌出，掘进工 作面停风造成瓦斯积聚、浓度达到爆炸界限。同时，工人违章带电检修临时配电点的照 明信号综合保护装置，产生电火花引起瓦斯爆炸【2 】。以上数据警示我们有效预防瓦斯爆 炸事故的发生已经迫在眉睫。 井下安全管理水平参差不齐，仅凭技术人员的经验进行日常检测、诊断和维护，经 常由于技术人员水平低、责任性不强，造成掘进工作面瓦斯爆炸事故发生。未按规定检 查瓦斯，瓦检员脱岗，当工作面地质条件发生变化，大量瓦斯异常涌出时，由于瓦斯检 查不及时，隐患不能及时排除1 3 j 。缺乏对局部通风系统的监控，不能全方位了解和判断 设备运行状况，以致无法及时采取适当的措施进行弥补，为瓦斯爆炸事故的发生创造了 条件。 据全国统配煤矿的统计，百分之七、八十的瓦斯爆炸事故发生在掘进工作面。从对 全国各大煤矿实地考察和数据分析来看，掘进工作面较易发生瓦斯爆炸事故的主要原因 之一是由于矿井局部通风系统可靠性低，无计划停风停电次数多，时间较长，或供风能 力不足，造成瓦斯浓度超限：同时由于矿井局部通风安全管理人员水平低，责任心不强， 误操作等原因造成设备温度上升或引起火花等事件，为瓦斯爆炸事故的发生创造了条 件。因此，提高矿井局部通风系统的安全性，及早预测预防故障的发生，或者在故障发 生后及时恢复系统的安全运行是杜绝掘进工作面瓦斯事故发生的重要措施之一，也是目 前煤矿安全通风亟待解决的现实问题【4 】o 煤矿安全规程规定，掘进工作面局部通风机供电必须实现“三专两闭锁”，其 目的在于减少其它动力电源故障对局部通风机供电系统的影响，提高局部通风机供电的 可靠性，减少或杜绝掘进工作面瓦斯事故。山西省煤炭工业管理局于2 0 0 3 年下发了山 西省“一通三防”管理规定，规定在“三专两闭锁”的基础上，进一步要求“掘进工 作面局部通风机应实现双电源供电，双风机配置( 互为备用) ，两者之间应能自动转换 。 几年来的实践证明，双风机、双电源供电方式使局部通风机工作可靠性有了一定提高， 西安科技大学硕士学位论文 但局部通风机无计划停电、停风及漏风造成瓦斯积聚乃至酿成事故的情况仍屡有发生； 另一方面，当巷道出现瓦斯积聚，需要进行瓦斯排放处理时，使用人工控制供风量的传 统方法进行瓦斯排放，可靠性和控制精度得不到保障，容易产生“一风吹”现象。因此， 开发既能保障局部通风机供电可靠性又能根据瓦斯浓度进行风量调节、控制瓦斯排放速 度的局部通风监控与报警系统己势在必行。 1 2 课题关键技术国内外研究现状 目前国内外学者已经在矿井通风系统故障预测、报警和控制方面进行了比较多相关 研究，例如：加拿大矿能部的h a rd c a s t l e s g 等采用电子叶片对矿井通风风流的测定评 估及紧急状态瓦斯突出的报警系统研究，提供了矿井通风风流的信息，能有效预报矿井 瓦斯浓度的超限，减少了瓦斯爆炸的概率【5 j ；波兰卡托维兹矿业研究所m i r o n o 诵c z w 对高瓦斯浓度矿井通风系统控制进行了研究，通过对系统风流的控制，能有效防止瓦斯 的积聚【6 1 ，美国职业安全和健康研究院k a 唿c a j lc 0 通过对不同阶段瓦斯涌出预测分析， 进而对通风需求进行了优化研究，克服了根据生产量决定最大供风量既不经济又不安全 方法【7 】；英国诺丁汉大学h 叫f e a v e s 采用计算流体动力学方法对深井开采掘进工作面风 流进行了建模和模拟计算，建立了通风特性与局部通风系统之间关系，以提高掘进工作 面的通风条件【8 】；美国加利福尼亚大学h uyn 和o l g aik 对煤矿的通风网络进行非线 性模拟，建立了矿井通风网络的非线性模型，并在实际应用中取得了良好的效果一1 ；西 班牙奥维耶多大学t o r a n oar 为隧道开发时通风的物理状况进行了计算，对通风系统的 设计提供了科学的依据l l o j ；美国弗吉尼亚州立大学工艺研究所s t a rwx 和e m 喀m lt 利 用运筹学模型优化了不同通风系统中通风控制装置的位置和大小，通过适当的安装通风 控制装置，能够调节通风系统的压差，合理的分配风流川；澳大利亚的l e s z e kw 在煤 矿井下瓦斯涌出预测和防治方面的研究，提出采煤率与瓦斯涌出量的逼近算法i l 引，对煤 矿的安全生产有重大意义。 在控制方面，各国的研究和发展水平不平衡，国外较早地将计算机控制技术应用到 了煤矿掘进工作面的通风环节，保证了掘进工作面通风的连续性，对提高矿井自动化水 平和生产效率产生了巨大的推动作用。然而国外控制设备昂贵，配件周期长，在很大程 度上制约着国外先进技术在我国井下掘进工作面的推广使用【l 引。 长期以来国内掘进工作面局部通风机一直采用空气接触器对局部通风机进行控制， 其功能简单，可靠性差，经常造成“无计划停电停风，引起瓦斯积聚。早期国内掘进 工作面局部通风系统普遍采用单回路供电方式，电气故障经常影响掘进工作面的供风。 从8 0 年代后期，国内推行掘进工作面“三专两闭锁”供电方式，它从一定程度上降低 了掘进工作面“无计划 停电停风的次数，但供电系统中任何一个环节出现停电检修或 发生局部通风机机械故障，都会影响矿井局部通风系统的工作。从9 0 年代后期，国内 2 1 绪论 一些特大型矿井开始使用双风机双电源的供风方式，这样从理论上讲可以降低“无计划 停电停风的概率，但经过几年的应用，局部通风机“无计划 停电停风造成瓦斯积聚乃 至酿成瓦斯事故的情况仍屡有发生，究其原因，局部通风机供电及控制设备落后、保护 性能差、故障概率高、设备数量多、布置分散、维护困难是主要原因。 1 3p l c 在煤炭行业的应用现状 p l c 的显著特点是能够在恶劣的环境中运行，具有很强的抗干扰能力，可靠性高， 便于维护，因此，已在机械、冶金、电子、化工、煤炭和轻工等行业部门中得到了广泛 的应用，并取得了显著的社会经济效益。 目前，煤矿高产高效综合机械化采煤设备中广泛采用p l c 进行控制和通讯，增强 了这些设备的功能。例如：神府精煤公司大柳塔矿的英国布拉什( b m s h ) 公司生产的l c 3 3 型负荷控制中心( 带有7 组起动器) 就采用了p l c 控制技术，该系统可以实现独立先 导控制、c 接头控制、主从顺序控制、顺序联锁控制等多种控制方案【1 4 】。 多数高产高效矿井的采煤、掘进、运输等机械设备也都选用p l c 作为整个控制系 统的指挥中心。美国久益( j 0 公司生产的1 2 c m l 8 型连续采煤机的控制系统采用了计 算机控制技术，主控由可编程控制器( p l c ) 承担，该系统不但能可靠完成采煤机正常工 作所要求的各种控制任务，而且具有保护、状态监测、故障诊断及机器状态显示等功能 【l5 1 。 1 4 课题来源及拟解决的关键问题 1 4 1 课题来源 本课题是在陕西省教育厅项目：矿井局部通风故障诊断神经网络系统研发( 项目号： 0 7 j k 31 1 ) 和陕西省自然科学基金项目：矿井局部通风设备安全评价及故障诊断系统研 究( 项目编号：2 0 0 5 e 2 0 2 ) 的研究基础上，以矿井局部通风系统安全性评价和故障诊断 规则为基础和逻辑判断依据，采用p l c 技术和组态王工控软件相结合的研究方法，对 矿井局部通风系统进行数据采集、故障报警和控制系统的研发工作，以提高矿井局部通 风系统故障诊断的准确性和快速性，降低矿井局部通风系统无计划停风的概率和时间， 解决矿井局部通风系统故障诊断过程中完全依赖技术工人水平和零星的经验来寻找故 障根源的瓶颈问题，提高煤矿通风安全管理科学化和控制自动化水平。 1 4 2 拟解决的关键问题 本课题拟解决的关键问题如下： ( 1 ) 确定矿井局部通风系统监控方式和报警规则 3 西安科技大学硕士学位论文 通过大量查阅文献资料，并同相关领域专业人员探讨交流，深入地分析系统的监控 方式和报警规则，归纳出矿井局部通j x l 监控与报警系统开发所需要的信息。 ( 2 ) 研究矿井局部通风监控与报警系统总体架构、实现途径 鉴于矿井局部通风系统的运行环境以及煤矿安全生产的要求，在系统总体架构设计 过程中，必须选用本安或防爆的传感器和控制设备。为了保证系统运行稳定和维护方便， 必须确定合适的设备安装位置。 ( 3 ) 研究矿井局部通风监控与报警系统的断电复电控制 当系统中的瓦斯浓度达到或超过报警浓度时，系统报警；当瓦斯浓度超过断电浓度 时，实行“瓦斯电”闭锁；当瓦斯浓度低于复电浓度时，系统自动解锁。 ( 4 ) 实现矿井局部通风系统瓦斯浓度与风量调节自动控制 为了防止“一风吹排放瓦斯导致瓦斯浓度突变带来的危害，必须确定瓦斯浓度与 局部通风机输出风量的对应关系。根据瓦斯浓度的变化进行风量调节，防止瓦斯浓度突 变，从而实现瓦斯浓度无超限安全排放。 ( 5 ) 远程监控关键问题 现场控制系统的一个重要功能就是将矿井局部通风系统的环境、设备运行情况等参 数进行实时监测与数据处理，并将信息传送到地面上的远程监控计算机；远程监控计算 机将数据信息分析处理后，以动态画面形式实时显示现场设备的运行情况，操作人员通 过远程监控软件控制现场设备运行。 1 5 课题研究内容与技术路线 1 5 1 课题研究内容 课题的主要研究内容包括： ( 1 ) 传统矿井局部通风系统故障分析 对目前广泛使用的矿井局部通风系统的组成、常见故障以及监控报警现状进行分 析，确定目前矿井局部通风系统安全管理存在的主要问题。 ( 2 ) 矿井局部通风监控与报警系统总体方案研究 针对传统矿井局部通风系统安全管理存在的问题，对矿井局部通风监控和报警系统 总体架构、功能模型、工作原理以及操作方式进行分析和研究，建立矿井局部通风监控 与报警系统总体解决方案。 ( 3 ) 设计、搭建矿井局部通风监控与报警系统硬件平台 分析硬件系统功能需求，硬件系统进行设计。根据设计方案，对设备选型、控制和 检测设备的安装位置进行确定；设计实现控制系统与变频器，控制系统与远程监控计算 机的通讯连接。 4 1 绪论 ( 4 ) 矿井局部通风系统风量与瓦斯浓度控制算法研究 对瓦斯浓度变化时的局部通风风量调节的p i d 控制算法进行分析和研究。 ( 5 ) 设计、开发矿井局部通风远程监控和报警软件系统 对矿井局部通风监控和报警系统功能需求进行分析，建立软件系统功能模块，并对 软件系统进行设计和开发。 ( 6 ) 矿井局部通风监控与报警系统软、硬件平台集成调试和完善 通过模拟矿井局部通风系统实际工况，进行软、硬件系统的集成测试，完善设计方 案和控制策略。 1 5 2 技术路线 在大量查阅国内外有关矿井局部通风系统故障诊断信息和对煤矿掘进工作面现场 调研的基础上，对矿井局部通风系统的组成、故障种类、产生原因、以及有效的检测和 故障排除手段进行分析研究。确定矿井局部通风系统各部分的检测参数，选择检测设备 和确定设备的安装位置，搭建系统硬件平台，然后进行远程监控和报警软件系统进行开 发，最后进行现场控制系统与远程监控软件的联机调试，并完成研究报告。本文采用的 技术路线如图1 1 所示。 图1 1 技术路线 5 西安科技大学硕士学位论文 2 传统矿井局部通风系统 矿井局部通风系统在煤矿井下安全生产中具有重要意义，其工作的可靠性与稳定性 直接影响煤矿的安全生产和经济效益。传统矿井局部通风系统包括高压供电系统、低压 供电系统和机械设备系统三部分。本章重点对传统矿井局部通风系统的组成、故障及监 控现状进行了分析，确定了关键故障单元和类型，找出了传统系统在控制功能和报警方 面存在的问题，为矿井局部通风监控与报警系统确定了具体的研究对象和内容。 2 1 传统矿井局部通风系统 对矿井局部通风系统进行分析是矿井局部通风监控与报警系统研究的基础环节。矿 井局部通风系统是串联的系统【1 4 1 ，在此系统中任意子单元的故障均可导致停风或风机运 转不j 下常。矿井局部通风系统分为：高压系统、低压系统、机械系统。高压系统包括： 高压开关、高压电缆及接头、变压器、和其它设备。低压系统包括：低压馈电开关、低 压磁力控制开关、低压电缆、检漏装置。机械系统包括：风筒、局扇、其它设备三部分。 由于矿井局部通风系统故障产生在其组成单元中，因此可以用系统的逻辑单元图来表达 整个矿井局部通风系统。矿井局部通风系统示意图如图2 1 所示。 ；孑舞南赫通茂设备系蠢 图2 1 矿井局部通风系统组成 2 1 1 传统矿井局部通风系统供电现状 从8 0 年代后期，国内推行掘进工作面“三专两闭锁”供电方式【l5 ，它从一定程度 上降低了掘进工作面“无计划”停电停风的次数，但供电系统中任何一个环节出现停电 检修或发生局部通风机机械故障，都会影响局部通风系统的工作。从9 0 年代后期，国 内一些特大型矿井开始使用双风机双电源的供风方式【l6 1 ，这样从理论上讲可以降低“无 计划”停电停风的概率，但经过几年的应用，局部通风系统“无计划”停电停风造成瓦 斯积聚乃至酿成瓦斯事故的情况仍屡有发生，究其原因，局部通风系统供电及控制设备 6 2 传统矿井局部通风系统 落后、保护性能差、故障概率高、设备数量多、布置分散、维护困难是主要原因。 特别是对于高产高效综合机械化采煤工作面，根据采煤方法的要求，与其配套的掘 进方式是掘进巷道需要两台对旋式局部通风机进行掘进通风，一台运行，一台备用。每 台局部通风机需要两台磁力起动器控制，每两台磁力起动器又需要一台馈电开关供电， 再计入双电源切换装置。如图2 2 所示，d y 为通风机电源，b y q 为干式变压器，l 为馈电开关，q d 为磁力起动器，j q d r 为双电源自动切换闭锁装置，j s 为通风机，d 为电机，系统存在的主要问题【1 7 j 有： ( 1 ) 安装设备多、布置分散、系统零散复杂，集成度低。 ( 2 ) 矿井环境恶劣，设备布置分散，相互连线较多，在车辆运输和设备搬迁过程中， 电缆电线极易受碰撞压砸，因此，外部因素造成电缆及电气设备故障的概率大大增加， 极易造成停电停风事故。 ( 3 ) 传统磁力起动器只能实现直接起动，无法实现程序延时起动，高瓦斯矿井中的 局部通风机全部采用对旋式双电机驱动，直接起动时电流冲击大，风筒接口经常被吹开 从而出现漏风现象，易造成掘进工作面瓦斯积聚超限事故。 ( 4 ) 传统磁力起动器及双电源切换装置无警示功能。停电情况下自动切换一旦失效， 既不能报警也无应急功能，更不能根据掘进工作面的瓦斯浓度实现单风机瓦斯排放。 ( 5 ) 双电源自动切换装置功能不健全，存在严重的功能缺陷，只能在电源完全停电 的情况下进行自动切换，电缆、磁力起动器等硬件设备出现故障停风时，并不进行局部 通风机的切换。 ( 6 ) 传统磁力起动器无监测监控、通讯及自检功能，不能实现预防性检修，更无法 实现远程监控。 图2 2 矿井局部通风系统供电图 7 西安科技大学硕士学位论文 2 1 2 传统矿井局部通风系统的主要设备 矿井局部通风系统主要设备由矿用高压开关、矿用变压器、矿用低压开关( 包括隔 爆自动馈电开关和磁力控制开关) 、漏电保护装置等组成。而每种设备由关键的部件构 成，这些部件能够对井下的各种故障实施监控和报警，因此对其工作原理进行分析和探 讨可以有效的判断矿井局部通风系统的故障。 矿井的局部通风设备，像高压开关，矿用变压器，低压开关等通常要具有耐爆和防 爆的性能。耐爆是指：瓦斯与空气的混合气体，在防爆开关外壳内爆炸后，防爆外壳是 否丧失了正常的工作能力。所谓丧失正常的工作能力，是通过三种指标来衡量的i 墙j 。 在爆炸压力下会不会发生破裂； 由于弹性变形过大，丧失其正常工作能力，或过量的塑性变形； 在外压或外部载荷作用下形状是否发生突然改变，是否丧失工作能力。 隔爆是指当开关内部发生爆炸时，火焰经过开关的间隙喷出，而不使开关外面的瓦 斯混合气体发生爆炸。 ( 1 ) 矿用高压开关 矿井中的高压开关是对高压线路( 一般为6 k v ) 进行控制和保护，作为配电或直接 启动电机用，能同具有监视线和屏蔽线的专用电缆配合使用，取得绝缘监视和高压漏电 保护的效果，特别适用于在采区变电所作移动变电站的配电开关，亦可作为电动操作的 断路器，在具有瓦斯及煤尘突出危险矿井的中央变电所作配电开关用【2 2 】。矿用高压开关 都是做成开关柜或叫做配电装置的成套设备，按一定程序装接的包括隔离开关、断路器、 熔断器、互感器、操作机构、继电保护、闭锁、信号和仪表等器件的组合整体，以满足 井下使用安全与方便的要求。 ( 2 ) 矿用变压器 煤矿常用的变压器主要是矿用变压器和整流变压器两种。矿用变压器是专供矿井降 压用的变压器。随着采煤机组容量的不断增大，工作面的耗电量剧增。如果继续沿用从 采区变电所用低压向工作面供电的方式，显然是不经济、不合理的。而移动变电站解决 了这个问题。移动变电站主要由高压负荷开关、干式变压器、低压馈电开关三部分组成。 其中低压馈电开关具有过载、短路、欠压、漏电、断线和漏气保护装置，可以监测移动 变电站的运行情况。 ( 3 ) 矿用低压馈电开关 矿用隔爆型自动馈电开关经常作为控制和保护工作面上供电干线的总开关。在结构 上它具有自由脱扣机构，当供电网络中发电短路和超过极限允许的过载及漏电电流时， 能自动跳闸分断电路，从而完成系统中的短路、过载和漏电保护。馈电开关还宜对不频 繁通断的单独电动机进行控制。馈电开关是由隔爆外壳和万能自动空气断路器组合而成 8 2 传统矿井局部通风系统 的。万能自动空气断路器是一种独立完善的控制电器，它普遍使用在交流的低压供电网 路中。馈电开关的工作原理就是万能自动空气断路器的工作原理。 ( 4 ) 矿用低压磁力控制开关 矿用低压隔爆磁力控制开关适应性强，应用范围广，保护装置齐全。对于起动比较 频繁或远距离操作的电动机( 如煤矿井下用的风机、运输机和调度绞车等机械上的电动机) 都必须用隔爆磁力控制开关来控制。隔爆磁力控制开关主要由隔离开关、交流接触器、 熔断器、过流一过热继电器、按钮等组成，装在隔爆外壳中，用来保护和控制电动机。 交流接触器( 线路接触器x l c ) 交流接触器是依赖电磁铁使触头通断的电器，用以接通和分断所控电动机的电路。 交流接触器不附带控制元件和保护电器。按传动方式，交流接触器可分为转动式、转动 一直动式和直动式三种。q c 8 3 8 0 型为典型的转动式。q c s 8 3 8 0 型及q c 8 1 5 6 0 型为典 型的转动一直动式，q c 8 3 3 0 型及q c s 8 3 3 0 型为典型的直动式。 隔离开关( h g k 与g k ) 隔离开关按用途分为可逆型和不可逆型，其作用是供隔断电源用，若是可逆型的则 可在电动机无载状态下转换电动机的旋转方向。从结构上来说，隔离开关又可分为刀形 和凸轮式两种。 降压变压器( j y b ) 供控制线路及局部照明、信号电源用。有的在一次侧设6 6 0 伏及3 8 0 伏两个电压档，以 适应不同电压时的网路需要。降压变压器的铁芯型式，一般分为三种：芯式、壳式和卷式。 按钮( q a 与1 a ) 按钮是一种主令电器，供磁力起动器近控时的起动和停止或作为远控时的停止用， 其结构多为复合式。 中间继电器( z d 中间继电器是吸引线圈的开关元件，它实质上就是一个电磁继电器。通常用它中间 传递信号和变换控制路数及容量。吸引线圈的通电( 衔铁吸合) 与断电( 衔铁释放) 完全取 决于中间继电器的“动合触点的关合与分断。 低压熔断器( r d ) 作为主电路和控制电路的短路保护用。多采用l 蝴l o 系列、l 玎o 系列、i u l 系列及 玻璃管式熔断器。 热继电器及限流热继电器( j r 与g l g r ) 热继电器作为电动机的过载保护用。限流热继电器是过载、过流双重保护的电器。 为热元件与磁元件的复合装置。 ( 5 ) 矿用隔爆检漏继电器 漏电继电器是利用附加直流电源来监测交流电网绝缘的【l9 1 。当绝缘电阻值下降到一 9 西安科技大学硕士学位论丈 定程度或电网发生漏电故障，通过绝缘电阻的电流大于或等于继电器的动作电流时，继 电器便会立即动作，接通自动馈电开关的分励脱扣线圈，或断开其无压释放线圈，使自 动馈电开关跳闸，达到漏电保护的目的。 ( 6 ) 局部通风机综合保护器 目前，我国煤矿局部通风机应用的电机保护有单相运转和过载保护等。适合局部通 风机控制保护的有j d b 8 0 、j d b 8 0 s 型电动机综合保护器。 电动机综合保护器安装在磁力起动器的隔爆腔内，适合控制额定电压为3 8 0 v 或 6 6 0 v ，额定电流为4 6 4 a 或5 5 8 0 a 的电动机作为断线、过载、漏电闭锁保护之用。 对于3 8 0 v 系统和6 6 0 v 系统，漏电闭锁电阻推荐值分别为7 艘和2 2 妯。漏电检测电 流是指漏电检测端与地短路是的电流值。 j d b 8 0 型保护器采用一个电流互感器构成的单相取样部件。j d b 8 0 s 型保护器采用 一个电流互感器、两个电抗变换器组成的三相取样部件，它适用于断相保护要求较高的 场合，任一相断线时，保护动作时间均小于8 s ，其它方面功能与j d b 8 0 型相同。 ( 7 ) 局部通风机 井下局部地点通风所用的通风机称为局部通风机。掘进工作面通风要求局部通风机 体积小、风压高、效率高、噪声低、性能可靠、坚固防爆。 目前我国煤矿掘进工作面使用的局部通风机，大部分仍延用6 0 年代研制的j b t 系 列轴流式局部通风机。其风压效率只有6 0 7 0 ，风量、风压偏低，尤其噪声高达 1 0 3 1 1 8 d b ( a ) ，已属淘汰产品，故需要更新换代。 局部通风机有串联和并联两种工作方式。当在通风距离长、风筒风阻大，一台局部 通风机风压不能保证掘进需风量时，可采用两台或多台局部通风机串联。当风筒风阻不 大，用一台局部通风机供风不足时，可采用两台或多台局部通风机集中并联工作。 ( 8 ) 风筒 我国煤矿常用的风筒有刚性和柔性两类。对于非金属材料制成的风筒，要求具有阻 燃和抗静电性能。 刚性风筒目前有两种：铁风筒和玻璃钢风筒。刚性风筒采用法兰盘连接方式。 柔性风筒在煤矿应用最广泛，常用的有胶布风筒和塑料风筒两种，重量轻、装卸搬 运方便，接头漏风量少，有效风量率高。 2 2 传统矿井局部通风系统故障分析 2 2 1 传统矿井局部通风系统故障特点及来源 矿井局部通风系统故障数据具有复杂性、关联性和非瞬时性的特点。矿井局部通风 系统是由若干个子系统组成的复杂的串联系统，系统故障的发生不是独立的，一种部件 l o 2 传统矿井局部通风系统 故障可导致别处部件的不正常运转；另外，由于设备的复杂性导致其故障原因的多样性 和复杂性，具有明显的随机不确定性和模糊性，同时引起的外部特征也可能减弱、消失、 重叠，具有明显的非瞬时性特点。 论文的故障数据通过以下两种方式获得： ( 1 ) 实地现场考察 实地现场的考察是故障数据的主要来源。通过对陕西铜川、韩城矿务局，甘肃靖远 矿务局的实地考察，深入煤矿与工人师傅探讨交流，以及查询所考察各煤矿统计报表， 并了解目前矿井局部通风系统的工作原理、设备型号、常见故障类型等。 ( 2 ) 对一些专题作专门的调查 由于实地的现场考察主要是对煤矿局部通风系统的常见故障的收集，如遇到特殊的 故障或者没有收集到等不足，所以需对某些故障通过其它论文和书籍进行查询和分析。 2 2 2 传统矿井局部通风系统常见故障 按照上文的对矿井局部通风系统从功能上的划分，在收集整理系统故障数据后，也 要按照矿井局部通风系统的功能层次性进行分析。通过对陕西韩城，甘肃靖远矿务局等 地的煤矿进行调查，收集了矿井局部通风系统常见的故障。对故障做进一步分析，每一 种故障可能分别对应几种原因，如低压电缆故障的原因可以是接地，短路，断路等。对 每个故障单元的子模块的可能的原因做出解释。如表2 1 所示。 表2 1 传统矿井局部通风系统常见故障表 从上表可以看出故障种类和原因最多的地方是低压系统，这主要是因为低压系统的 组成单元较多并且经常在井下移动和分布较广较易受到外界损坏，以及人为等原因造成 的。 西安科技大学硕士学位论文 2 3 传统矿井局部通风系统监控与报警方式 传统矿井局部通风系统存在严重的功能缺陷【l7 。其中，磁力起动器及双电源切换装 置无警示功能，无法实时监控局部通风系统运行情况、远程通讯及系统自检功能，也不 能实现预防性报警，更无法实现远程监控。双电源自动切换装置只能在电源完全停电的 情况下进行自动切换，自动切换一旦失效，既不能报警也无应急功能，更不能根据掘进 工作面的瓦斯浓度实现单风机瓦斯排放。 此外，高瓦斯矿井中的局部通风机全部采用对旋式双电机驱动，传统的磁力开关只 能实现直接起动。直接起动时电流冲击大，风筒接口经常被吹开从而出现漏风现象。而 且在系统的运行过程中，局部通风机都是全速运转，不能根据瓦斯浓度自动调节系统风 量，只能“一风吹”，易造成掘进工作面瓦斯积聚超限事故。 2 4 本章小结 本章分析总结了传统矿井局部通风系统存在的问题，传统的矿井局部通风系统控制 落后，保护功能不全，无法实现集中控制，没有远程通讯及系统自检功能，报警功能不 完善也不能