矿井风门自动控制系统的研究

盛永志

（长治市矿山救护队， 山西 长治 046000）

引言

瓦斯突出、火灾、粉尘爆炸是威胁综采作业安全的三大“杀手”，其造成的死亡人数占到了煤矿死亡总人数的70%以上[1]，因此建立一个井下安全控制系统，通过对风量的控制来实现降低空气中的瓦斯浓度含量，将火灾、爆炸控制在一定区域内，防止灾害影响的进一步扩大具有十分重要的作用。在煤矿井下通常设置有风门，用于对一定区域内的通风量进行控制，当出现瓦斯浓度升高时就加大通风量，确保瓦斯含量在安全范围内。当发生火灾时则会关闭风门，停止火灾区域内的空气流动，实现灭火，从而有效地防止火灾范围的进一步扩大，但目前井下的风门主要采用了简单的控制模式，仅能实现开、合，无法实现根据井下环境自动调节风量大小，也无法实现远程监测和控制，无法满足越来越高的井下安全控制需求，因此本文研究一种新的矿井风门自动控制系统，其采用全新的控制方案，能够自动对井下巷道内的空气状况进行监控，根据监控结果实现对风门开合度的调整，实现对井下风量的精确调节和控制，该风门自动控制系统具有控制精确度高、智能化程度好的优点，可极大地提升煤矿井下综采作业的安全性。

1 矿井风门自动控制功能模块

矿井风门自动控制系统主要包括了风门控制及运行参数模块、视频监控数据信息采集模块以及环境信息传感器信息采集模块，通过三组模块的相互结合[2]，先利用视频监控和环境传感器监测系统实现对煤矿井下环境情况的实时监测，将监测数据信息传递到控制中心内，对数据进行分析，根据分析结果来实现对风门开合和通风系统风量的联合调整控制，满足井下安全生产的控制需求。矿井风门自动控制系统的功能模块结构如图1 所示[3]。

图1 自动化防护系统结构示意图

在该自动控制系统中，风门控制及运行参数模块主要用于执行控制模块的指令，实现对风门开度大小和风门运行情况的实时监测与控制，确保接收到指令后能够第一时间控制风门运行。视频监控数据信息采集模块主要用于采集风门处的视频图像信息，将视频信号传输到地面控制中心，实现地面控制中心人员对风门状态的实时监控，当出现异常时系统将发出预警广播信号和撤退路线，确保井下作业人员及时脱险。环境信息传感器信息采集模块主要是利用各类传感器设备实现对监控区域内的风速、粉尘浓度、瓦斯含量等的实时采集，对井下空气环境的安全性进行判别，将判别结果反馈到控制中心，控制中心发出风门动作指令，控制风门自动运行，确保井下综采作业的安全性。

2 风门自动控制系统硬件结构

为了适应煤矿井下高尘、高湿的恶劣环境，同时满足对井下环境监测、风门控制的数据传输的需求，该风门自动控制系统的硬件结构上采用了双串口微控制器，满足对复杂数据信息的快速处理要求，数据通信采用了RS485 通信接口，确保数据传输的可靠性。当系统主接口出现故障时将自动转入RS232 数据通信接口，同时采用了X5045 模块作为安全控制模块[4]，其能够平复电网电压波动而导致的控制系统的故障和死机现象，确保系统工作的稳定性。为了提高该自动控制系统的操作便捷性，方便后续升级，采用了大型防爆液晶显示屏进行数据信息的显示和标定。

为了满足煤矿井下低能见度下的视频监控需求，系统采用了超清的防爆CCD 视频监控设备[5]，通过以太网络来满足瞬时大流程的数据传输需求，以太网络和风门自动控制系统的控制中心之间采用网络交换机进行联通，形成一个专用的视频数据传输通道，满足视频监控实时性和低滞后性的需求，该自动控制系统的硬件系统网络结构如图2 所示。

图2 矿井风门自动控制系统硬件结构示意图

3 井下风门控制平台手控按键设计

由于煤矿井下巷道结构复杂，因此该矿井风门自动控制系统除了具有自动启闭、远程控制功能外还具备手动操作控制的功能，在风门附近的操作平台上安装有“打开”“关闭”“急停”“解锁”四个控制按钮。在每个风门的内侧和外侧均设置由手动控制操作平台，满足不同情况下的控制需求。当紧急情况下人工可以控制风门的打开或者关闭，在启闭过程中一旦出现异常则可以采用“急停”控制，确保风门启闭过程中的安全性，“解锁”功能主要是在紧急制动后需对风门进行复位，确保各类数据恢复到正常的状态，满足井下安全通风的需求，煤矿井下风门控制平台分布如图3 所示，图中AN1、AN2 即表示控制平台。

图3 煤矿井下风门控制平台分布示意图

4 结论

1）矿井风门自动控制系统主要包括了风门控制及运行参数模块、视频监控数据信息采集模块以及环境信息传感器信息采集模块，通过三组模块的相互结合，能够实现对井下风门运行状态的全自动监控和精确调整；

2）自动控制系统采用了RS483 通信接口、X5045安全控制模块、超清的防爆CCD 视频监控设备，能够满足煤矿井下恶劣环境中的监测和控制需求。