【文章內(nèi)容簡介】 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科畢業(yè)設計 第 1 頁 1 緒論 隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，國家能源工業(yè)對煤炭的需求日益增長，然而煤安全事故頻繁，其中以瓦斯爆炸事故最為突 出。 2020 年 2 月 15 日到 3 月 19 日一個多月時間里，就發(fā)生了 5 起煤礦特大瓦斯爆炸事故，共死亡 165 人。據(jù)國家監(jiān)總局公布的統(tǒng)計，全國一季度煤礦事故造成死亡的人數(shù)竟然已高達 1113 人，煤礦“吃人”己到了令人無法忍受的地步。目前，我國煤礦約半數(shù)礦井為高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井，瓦斯始終是我國煤礦安全的最大威脅。本文開發(fā)了基于 MCGS 組態(tài)軟件的風機監(jiān)控系統(tǒng)，有效地監(jiān)測并控制井下有害氣體和其他影響井下工作人員健康的參數(shù)。從而有效地減少了煤礦自然災害的發(fā)生。 問題的提出及研究意義 問題的提出 眾 所周知，煤礦井下生產(chǎn)過程中時時刻刻都受到“水、火、瓦斯、頂板”五大自然災害的威脅，其中，瓦斯煤塵爆炸事故能使礦毀人亡，危害極大，為五大自然災害之首，為搞好礦井的“一通三防”管理工作至關重要，故“一通三防”技術的管理為煤礦的重中之重，礦井的“一通三防”管理就是礦井通風、防治瓦斯、防治煤塵、防滅火的技術管理簡稱，它的基本任務是根據(jù)黨的安全方針、政策、掌握火、瓦斯、煤塵和地熱等自然災害的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律，應用科學技術手段防治各種災害，根據(jù)井下風流流動的規(guī)律，不斷得將新鮮的風流輸送到井下各個工作地點，創(chuàng)造良好的氣候條 件，以沖淡并排出井下的毒性、窒息性和爆炸性的氣體和粉塵，以保證井下風流的質(zhì)量（成分、溫度和速度）和數(shù)量符合國家安全衛(wèi)生標準，提供良好的工作環(huán)境，防止各種傷害和爆炸事件事故，保障井下工作人員身體健康和生命安全，保護國家資源和財產(chǎn)，在礦井建設和生產(chǎn)期間始終占有非常重要的地位。 瓦斯災害給煤礦帶來的最大危害是威脅井下人員生命，摧毀礦井設施，迫使礦井停產(chǎn)，并需要投入大量人力物力搶險救災。據(jù)資料統(tǒng)計， 1981 一 1995 年，我國重點煤礦在加強瓦斯災害防治的前提下，仍因瓦斯爆炸死亡 1582 人，瓦斯窒息死亡 278 人 ，造成直接經(jīng)濟損失近 幾 億元。我國煤礦瓦斯災害事故仍呈不斷上升趨勢，給煤礦安全生產(chǎn)造成極大威脅。 為防治瓦斯災害事故，國家煤炭工業(yè)局每年投入安全技術措施費近 1 億元 (大部分用于防治瓦斯災害 )，礦井進入成本的瓦斯災害防治費平均達 10 元 /噸，有的礦井高達 30 元 /噸。粗略估算，從各種途徑投入瓦斯災害的防治費用每年達 20 億元以上，給煤礦生產(chǎn)帶來沉重的經(jīng)濟負擔。 瓦斯災害的威脅也極大的限制了礦井生產(chǎn)能力的發(fā)揮。據(jù)有關資料統(tǒng)計， 1995年 130 個國有重點瓦斯礦井年設計生產(chǎn)能力為 9300 萬噸，核定生產(chǎn)能力為 6000 萬 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科畢業(yè)設計 第 2 頁 噸，僅為設計能力的 %。由于礦井生產(chǎn)能力的下降，產(chǎn)出減少，礦井經(jīng)濟效益顯著降低 。正因為礦井安全生產(chǎn)受到威脅，礦井經(jīng)濟負擔重，效益差，致使礦井人員穩(wěn)定困難，科技開發(fā)能力減弱，不少高瓦斯礦井步入惡性循環(huán)，最終導致礦井關閉 瓦斯災害防治的主要目的是防治瓦斯積聚，防治瓦斯煤塵爆炸。要達到這些目的，就要求有精確、穩(wěn)定、安全的 風機 監(jiān)控系統(tǒng)。加強瓦斯監(jiān)控可以實時發(fā)現(xiàn)瓦斯災害預兆，及時采取措施消除災害隱患，防患于未然。 [1] 研究意義 礦井主風扇的通風是煤礦治理瓦斯、煤塵及火災的基 礎，合理高效的礦井通風系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)的基本保障。隨著科學技術的發(fā)展，煤礦生產(chǎn)的計算機技術（網(wǎng)絡化）和信息化程度的不斷提高，礦井開采規(guī)模迅速擴大，通風線路隨之加長，通風阻力增加，工作面配風困難，通風難度相應增加；另外，隨著開采深度的增加，由于地熱、機電設備散熱、氣候變熱等因素，致使高溫礦井也逐漸增加，礦井熱害治理也成為礦井通風工作的一個重點；再者，在一些寒冷地區(qū)，冬季氣溫很低，對進風風流預熱也成為礦井通風要解決的難題。為了解決上述的各種問題，所以對主風扇的要求要大大的提高。 人們長期習慣生活在有陽 光，有比較穩(wěn)定的化學成分、溫度、濕度的環(huán)境中，一旦生活在環(huán)境變化劇烈，人體將感到不舒適，甚至生病。地下開采工作的環(huán)境與地面相比變化較大，瓦斯、礦塵、煤炭自然發(fā)火和水等事故時有發(fā)生，嚴重地制約著煤礦的安全生產(chǎn)。為了在煤炭生產(chǎn)過程中創(chuàng)造良好的生產(chǎn)環(huán)境，對各種災害切實可行的防治，最經(jīng)濟、最基礎的解決方法是搞好礦井通風工作。礦井通風是礦井個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中最基本的一環(huán)，他在礦井建設和生產(chǎn)期間始終占有重要的地位。多年時間證明，礦井通風是煤礦安全工作的重中之重，也是杜絕重大事故，實現(xiàn)煤礦安全狀況基本好轉的關鍵。 礦井 通風的主要作用： （ 1）供給井下工作人員足夠的新鮮空氣，滿足人員呼吸的需要。 （ 2）稀釋和排除井下有害氣體，礦塵，有效減少事故的發(fā)生。 （ 3）調(diào)節(jié)井下氣候條件，提高生產(chǎn)效率。 而礦井通風的關鍵就是礦井風機的主要作用，因此風機監(jiān)控系統(tǒng)的研究具有重大的意義。 為了正確評價礦井的通風狀況，解決煤礦通風的難題，總結礦井通風的豐富經(jīng)驗和科研成果，促進煤礦安全技術的發(fā)展，減少和杜絕煤礦事故的發(fā)生，作為煤礦“四大件”之一的主扇風機 ,承擔著煤礦瓦斯抽放 ,向井下輸入新鮮空氣的重任。中國煤礦事 故中近 60%以上的事故是由于瓦斯?jié)舛冗^高引起的 ,而中國煤礦主扇風機監(jiān)測幾乎全部采用的是老式的模擬儀表 ,工作人員必須定時到現(xiàn)場抄表 ,而且對風 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科畢業(yè)設計 第 3 頁 機通風量幾乎沒有實現(xiàn)在線測量。因此 ,要提高煤礦生產(chǎn)的安全性 ,減少現(xiàn)場噪音對工作人員的傷害 ,必須解決主扇風機的自動化控制技術和監(jiān)測技術。 由于我國煤炭成形的自然條件和地質(zhì)條件的多變，生產(chǎn)條件復雜，自然災害較為嚴重。在我國眾多的行業(yè)產(chǎn)業(yè)中，煤炭行業(yè)事故所占比重最大，占工業(yè)死亡總人數(shù)的 60%以上。目前，全國煤礦百萬噸死亡率高達 3 左右，其中以瓦 斯煤塵爆炸惡性死亡事故為最。進入新世紀以來，煤礦安全生產(chǎn)形勢雖然有所好轉，但形勢依然嚴峻。據(jù)統(tǒng)計， 2020 年，全國共發(fā)生煤礦事故 2384 起，死亡 6078 人 。2020 年，全國共發(fā)生煤礦事故 3112 起，死亡 6528 人 。2020 年，全國共發(fā)生煤礦事故 4143 起，死亡 6424 人 。2020 年，全國共發(fā)生煤礦事故 3853 起，死亡 6027 人 。2020 年全國共發(fā)生煤礦事故 3341 起，死亡 5986 人。這些數(shù)字足以說明煤礦安全事故給人民生命帶來的巨大傷害，給煤炭工作人員的家庭造成的極大痛苦，給國家建設造成的巨大經(jīng)濟損失，產(chǎn)生了 惡劣的社會影響和極為嚴重的后果。在“先抽采、監(jiān)測監(jiān)控、以風定產(chǎn)”方針的指引下，我國科研人員和煤礦職工在自力更生、艱苦奮斗基礎之上，共同努力，不斷學習國外先進經(jīng)驗，取長補短，使我國煤炭安全生產(chǎn)技術和信息化程度有了長足的進展和提高。其中，煤礦安全的內(nèi)涵也在不斷的豐富和擴展，包括勞動者心理健康安全、環(huán)境衛(wèi)生安全、勞動條件安全、機器設備安全、管理保障安全、生產(chǎn)系統(tǒng)安全意識等在內(nèi)的大安全概念也正在形成。 國外煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)應用早于我國，技術也較我國成熟。加之法律法規(guī)的完善，安全狀況優(yōu)于我國。 2020 年度中 國煤炭百萬噸死亡率為 ，美國為 ，印度為 ,俄羅斯為 ，南非為 ，中等發(fā)達國家大致為 [51。例如礦業(yè)安全在德國不僅包含礦井防火、防水、防爆，而且員工的交通安全也屬其中，同時還有職工的勞動保健。在技術上采用先進的煤礦安全實時監(jiān)控系統(tǒng)，在井下通過各種高級傳感器取得現(xiàn)場各種數(shù)據(jù)，利用數(shù)碼攝像頭將采掘現(xiàn)場的實時畫面通過網(wǎng)絡傳到總控制室，并以各種形式顯示。利用現(xiàn)代化手段使指揮中心與現(xiàn)場保持密切聯(lián)系，任何事故的苗頭都可以在監(jiān)控中心找到并進行相應的處理。美國不斷加強煤礦安全立法、執(zhí)法 和各種教育工作，同時加大了對新技術的采用，最終使煤炭產(chǎn)量大幅度增長，勞動生產(chǎn)率成倍提高，安全狀況大為改善，生產(chǎn)成本明顯降低，工效水平明顯提高，煤礦從業(yè)人員逐年減少，人均年煤炭產(chǎn)量逐年增加。美國礦業(yè)安全狀況的改善得益于新技術的開發(fā)與應用 [[7l。英國設立了礦山安全的監(jiān)查機構，對政府負責，同時加大對新技術和新設備的推廣，使用和加強各種層次的安全培訓。20 世紀 90 年代以來，煤礦已經(jīng)很少發(fā)生事故。英國的煤礦安全的發(fā)展對世界許多國家的煤礦的健康發(fā)展都起到了積極的作用 。 近年來，國外在不斷完善現(xiàn)場監(jiān)控跟蹤預測的基礎上， 開展了研究瓦斯突出的動態(tài)預測技術和突出危險區(qū)域預測技術。俄羅斯己經(jīng)建立了區(qū)域預測預報專家系 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科畢業(yè)設計 第 4 頁 統(tǒng)，將突出煤層劃分為突出危險區(qū)和非突出危險區(qū)，從而解放了一大片煤層，降低了突防工程量。德國一直都很重視煤礦安全技術的研發(fā)，一種完全改變井下礦工工作方式的“超越現(xiàn)實”的高安全性通訊技術使得井下信息完全如實的反映在專家和技術人員面前，在有安全隱患或可疑之處讓計算機參預作出判斷，極大的降低了危險概率，縮短了停工時間，提高了工作效率。將這些問題和解決方法都存儲在知識數(shù)據(jù)庫里，為新技術的革新作了大量的儲備，并將在未來幾年會全面投 入使用。另外，一些國家將聲發(fā)射技術應用于工作面突出監(jiān)測，以達到實用化、自動化方向發(fā)展。這些國家針對不同的突出煤層研究了相應的配套防瓦斯突出措施及裝備，俄羅斯利用聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)對采掘工藝進行了隨機控制，實現(xiàn)了工作面作業(yè)的自我保護。波蘭和法國對煤層突出危險進行了分級，實現(xiàn)了科學管理。 主要目的 隨著控制、計算機、通信、網(wǎng)絡等技術的發(fā)展，信息交換溝通的領域正在迅速覆蓋從工廠的現(xiàn)場設備層到控制、管理的各個層次，覆蓋從工段、車間、工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場。信息 技術的飛速發(fā)展，引起了自動化系統(tǒng)結構的變革，逐步形成以網(wǎng)絡集成自動化系統(tǒng)為基礎的企業(yè)信息系統(tǒng)。組態(tài)軟件的應用就是順應這一形勢發(fā)展起來的新技術。 我國是一個礦產(chǎn)資源豐富的國家，采礦業(yè)在國民經(jīng)濟中占有一定比重。隨著我國改革開放不斷深入發(fā)展，國民經(jīng)濟迅猛發(fā)展，生產(chǎn)力、生產(chǎn)關系發(fā)生了質(zhì)的飛躍。作為工業(yè)糧食的煤炭，經(jīng)過上世紀九十年代的低谷以后，進入二十一世紀發(fā)生了巨大變化。過去長期我國煤炭產(chǎn)量一直徘徊在 8 至 10 噸，到 1 0 年時間煤炭產(chǎn)量翻一番，一躍成為世界第一產(chǎn)煤大國。而且煤炭供需矛盾不會很快得到緩解。煤礦向著大型化、信息化、現(xiàn)代化迅猛發(fā)展，急切需要高新技術裝備，特別是數(shù)字技術產(chǎn)品。 但是，伴隨生產(chǎn)飛速發(fā)展而來的是，安全與生產(chǎn)的矛盾更加突出?，F(xiàn)有的術裝備日益不能滿足安全生產(chǎn)的要求，目前煤礦裝備相當一部分還是蘇聯(lián)援助中國時的五十年代技術，有的雖有改進，但還是遠不能滿足數(shù)字時代安全的要求。煤礦安全生產(chǎn)迫切要求更可靠、靈敏、準確、更安全的數(shù)字化產(chǎn)品裝備。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)正是基于上述前提下提出的。 煤礦風機監(jiān)控系統(tǒng)是一個集計算機、網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫、自動檢測與自動控制、傳感器與執(zhí)行機構技術為一體的多學科綜合性 自動化系統(tǒng)，主要用于礦井全生的監(jiān)測、控制、分析、綜合決策及調(diào)度等。煤礦風機監(jiān)控系統(tǒng)主要由系統(tǒng)上位機（監(jiān)控主機），通信適配卡（器），中繼器，總線轉換網(wǎng)橋和系統(tǒng)智能節(jié)點五種類型的節(jié)點組成。其中，系統(tǒng)上位機是整個礦井風機監(jiān)控系統(tǒng)中最復雜的站點，它的設計好壞 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科畢業(yè)設計 第 5 頁 直接關系到整個煤礦風機監(jiān)控系統(tǒng)能否正常運行。傳統(tǒng)的系統(tǒng)方案中，系統(tǒng)上位機采用集中控制方式，在實際施工以及系統(tǒng)運行過程中，集中式礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)存在接線復雜、維修困難、危險集中等缺點。為了克服上述缺點，可采用 PLC 來設計新型的基于 MCGS 組態(tài)軟件的煤礦風機監(jiān)控系統(tǒng) 。 煤礦生產(chǎn)中安全問題是最關鍵的問題，在煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中應用成本低、功能全、性能可靠的現(xiàn)場總線技術已逐漸成為節(jié)約成本，確保安全的必要手段。近年來國產(chǎn)的組態(tài)軟件的發(fā)展和完善使其在眾多總線技術中脫穎而出，成為煤礦風機監(jiān)控的首選軟件。 煤礦井下監(jiān)測點星羅棋布、系統(tǒng)龐大、傳輸距離遠、生產(chǎn)環(huán)境惡劣，作為一種具有本安性的分布式智能網(wǎng)絡，本軟件結合 PLC 能將監(jiān)測點做到徹底的分散 (在一個網(wǎng)絡內(nèi)可帶 32020 多個節(jié)點 )，可以滿足礦井安全監(jiān)控的要求。在礦井監(jiān)控系統(tǒng)中主要包括礦井環(huán)境參數(shù)及工礦參數(shù)的監(jiān)測與控制。環(huán)境參數(shù)主要 有瓦斯?jié)舛取L速、溫度、風筒壓力等 ,每一種需要監(jiān)測的參數(shù)和控制儀器都對應相應的智能節(jié)點，節(jié)點通過收發(fā)器接入總線網(wǎng)絡進行通信，也可以與上位機進行通信實現(xiàn)必要的監(jiān)控。系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測到參數(shù)就地進行控制和發(fā)出報警信號。 [2] 本文研究的主要內(nèi)容 礦井主扇風機是向井下送風的重要設備，也是大型耗能設備，對其實現(xiàn)在線監(jiān)測監(jiān)控，使之始終運行在良好狀態(tài)，對于保障煤礦安全生產(chǎn)，保護礦工生命和企業(yè)財產(chǎn)安全，保證企業(yè)節(jié)能提效具有重要意義。 礦井