揭秘！智能风门控制技术如何重塑庞庞塔煤矿通风系统
为解决煤矿传统风门控制方式中存在的操作不便、稳定性不高等问题，通过在不影响原风门启动开关的基础上，升级改造气路控制系统，添加风压监测、开关状态监测、故障报警系统，应用智能语音控制系统、传感器智能感应技术，设计就地逻辑控制系统，研究气动控制技术，开发远程控制系统，解决了传统风门使用不便等问题，建立了风门远程控制系统，提高了通风系统的安全性，保障了矿井的安全生产。
文章来源：《智能矿山》2024年第10期“学术园地”专栏
作者简介：宋云龙，工程师，主要从事煤矿智能化设备开发及应用研究工作。E-mail：386970579@qq.com
作者单位：山西焦煤霍州煤电集团有限责任公司
引用格式：宋云龙. 庞庞塔煤矿智能风门控制技术改造与应用[J].智能矿山，2024，5(10)：81-84.
煤矿井下环境复杂、危险系数高，煤矿通风系统是重要的安全保障环节，确保井下有足够的新鲜空气，降低煤尘、可燃气体等危险因素的浓度。通风系统中风门是核心组成部分，起到控制气流、分区管理等重要作用。传统风门控制方式存在操作不便、稳定性不高，亟须研发一种全新的智能控制技术，以提高通风系统的安全性。
传统风门控制方式多采用钮控制开关的半自动风门。在矿工经过风门时，需手动按下按钮控制风门开启和关闭。操作过程存在一些问题，主要表现为以下3个方面。
（1）频繁操作按钮易出错，部分风门开启迟缓，按下1次后可能并无动作，需多次按压才能导通气路，有时职工离开风门时只按1次就离开，可能导致风门并未真正关闭，或经过风门后忘记按压关闭按钮，影响通风系统正常运行。
（2）物理按钮按多后经常失灵，需不断进行维修和更换，增加了系统维护成本。
（3）传统半自动风门无自我监测监控装置，风门系统出现问题失灵后，行人或车辆无法通过，影响正常生产。
在不影响原风门启动开关的基础上，升级改造气路控制系统，保留原有开门方式且可扩展为使用传感器或远程控制、智能语音等方式开门的方法，减少人工操作频率，并添加风压监测、开关状态监测、故障报警的系统，提升风门便捷性和安全性，保障通风系统正常运行，保障安全生产正常进行。
01 庞庞塔煤矿概况
庞庞塔煤矿位于山西省吕梁市临县境内，井田面积60.73km2，地质储量1.103×109t，可采储量7.8×108t，煤矿于2020年8月首次建成了全国煤矿井下5G专网，共计布置5G基站138个，实现了对井下70km范围内运输大巷、采区大巷和所有采掘工作面全面覆盖，真正形成了“万兆光纤环网+5G无线宽带专网+窄带物联网”的传输网络，环网带宽承载力为40万兆规模；地面同步投用了华为云数据中心，在云服务中部署了定制化开发的智能综合管控平台，为自主设计智能化控制系统提供了基础保障。
02 智能风门控制技术升级改造内容
庞庞塔煤矿智能风门控制技术升级改造主要包括以下6个方面：
（1）研究应用智能语音控制系统。
（2）研究应用传感器智能感应技术。
（3）设计就地逻辑控制系统。
（4）研究气动控制技术。
（5）开发远程控制系统实现井上控制风门开关，并监测系统运行状态。
（6）联动风窗控制融入智能风网解析系统。
2.1 应用智能语音控制系统
增加语音控制模块，工作人员通过语音即可打开风门，减少井下操作人员按压风门按钮次数，方便工作人员通过风门，语音模块通过网络与应急管理平台联通，工作面出现紧急情况时，可发出语音报警和避难路线，语音指引疏散人流，与矿井应急救援广播组成语音应急播报系统。
使用Asrpro-core核心版配置开门指令，向语音控制芯片录入语音识别关键词，编写语音识别控制程序，搭配继电器实现动作控制。在2个风门外侧部署2个智能语音对话箱，将内外2个风门设定为A门、B门。打开A门、打开B门的语音指令，分别导入在2块语音识别模组中，外接4组继电器，将数据指令转化为电流脉冲传递给智能控制总机完成开门、关门的具体执行动作。
2.2 应用传感器智能感应控制技术
根据现场实际情况，确定热释传感器具体安装高度、照射角度、辐射感应面积，优化最佳人员感应区域，保证大量人员流动的情况下，风门可正常开启和关闭。从智能控制箱引出6路电缆，在每个风门两侧部署1套电缆接入热释红外传感器并为传感器提供电源。风门两侧热释传感器探测范围覆盖划定人员监测区域，人员进入传感器检测区域后风门自动打开，通过风门后人员离开传感器检测区域后风门自动关闭，实现风门自动运行。当人员通过第一道风门后，进入第二道风门检测区域，如果第一道风门还未关闭，第二道风门被程序锁定为不可开门，第一道风门完全闭合后，程序解锁第二道风门开门程序才可开启，避免两道风门同时打开的情况。
2.3 设计就地逻辑控制系统
结合现场实际情况分析A风门、B风门两侧所需PLC的I/O输入点数并分配输入地址。模拟人员通过风门所有情况，解决单侧人员通过、两侧同时请求开门、单侧开门禁止同时锁定对侧风门、人员防夹等问题，构建符合实际使用情况的开门、关门逻辑规则，并在井上进行模拟验证后导入可编程控制器。
2.4 气动控制技术
分析当前手动气路控制原理，在保留现手动按钮的基础上进行自动控制改造，安装矿用防爆电磁阀实现气路的导通和截至，达到自动开门和关门的目的。气路改造控制原理如图1所示。
图1 气路改造控制原理
2.5 远程控制井上风门开关
数据中心分配资源创建云服务器，自主搭建控制平台，设计UI界面，构建组态控制图，使用OPC通信方式实现控制平台与工控软件通信，使用Modbus通信方式实现工控软与智能风门控制器通信。平台下发开门指令，通过井下工业环网传输到智能风门控制器，PLC根据程序检测开门条件并执行开门动作，根据到位传感器返回结果，检查命令是否成功执行，完成操作闭环。
2.6 联动风窗控制融入智能风网解析系统
风窗挡板安装伺服电机接入智能风门控制箱，通过PLC控制风窗电机扭转挡风板的开合，调整进入风窗风量以调控风量。智能风门PLC通过井下环网接入智能风网解析系统，根据工作面实时风量需求，调整风窗挡风板开启数量及开启角度，动态调整进入巷道的风量，技术原理为以下4个方面。
（1）数据采集与传输
在矿井风门及附近巷道布设风速传感器，并与智能风门控制器进行通信，上传工作面实时风速参数，如图2所示。
图2 智能测风示意
（2）数据分析与评估
风网解析系统根据接收到的实时风速及预设的巷道截面参数，测算当前巷道进风量，根据工作面瓦斯浓度数据、瓦斯涌出量，制定最佳风窗开启数量及开合角度。风网解析系统如图3所示。
图3 风网智能解析系统
（3）风窗控制模块
智能风网解析系统将风窗开启数量及开合角度数据传至智能风门控制箱，PLC根据预定程序控制伺服电机旋转角度实现风窗调控。
（4）智能调控策略
智能风网解析系统根据风窗调整后的进风量，结合工作面实际情况评估当前最优开合角度，若存在误差再次调整风窗角度，直至需风量误差小于5%为止。
03 技术升级改造成果
（1）开发出1套可迁移的智能语音控制系统
当工作人员到达风门时，直接通过语音指令打开风门，所有人员通过后风门自动关闭，全程用时缩短了40%，且使用1年以来风门按钮、阀组的维护频率，由原来的每月检修1次变成每年维护1次，维护时间降低了90%，节省了大量的人力成本。
（2）设计出1套高稳定性、低成本的就地逻辑控制系统
使用西门子1200PLC作为控制核心，同时联通语音模块、气动控制箱、风窗电机进行动作执行，根据现场状态自行判断风门的打开和关闭，同时接收上位机指令控制语音播报内容和风窗挡风板进风量。
（3）开发远程控制系统实现井上控制风门开关
自主开发智能风门井上远程控制系统，通过OPC、Modbus协议与PLC通信，实时监测风门状态、下发开门关门指令。与风网解析系统对接，接收风量调度命令转换指令格式下发给井下PLC控制器，控制风窗挡板私服电机转动达到风量调节的目标。
04 推广应用前景
庞庞塔煤矿的智能风门成功改造，拓展了风门的打开方式，提升了风门使用的安全性，实现了煤矿智能化改造和降本提效的目标。随着煤矿安全生产标准的不断提高，越来越多的煤矿企业开始重视智能风门控制技术的应用，该技术将成为煤矿通风系统升级改造的重要方向。
智能风门控制技术的应用将推动煤矿通风系统的智能化、自动化进程，促进煤炭产业的转型升级和高质量发展。目前市场上改造智能风门价格较高，此次项目全部为自主开发，相比同行业产品成本降低一半且拓展性更强、更智能，所需传感器成本较低、可选用范围广、复制性强，具有很广阔的推广前景。
05 结语
本次实践是风门智能控制技术在煤矿生产中一次成功运用，通过开发智能语音控制系统、传感器智能感应控制技术、设计就地逻辑控制系统、开发远程控制系统，实现井上控制风门开关。提高了团队的智能化设备研发能力，丰富了5G+智能化场景的应用。既体现以人为本的理念，也符合习近平总书记“以数字化推动高质量发展”的精神内涵。目前在庞庞塔煤矿5-108工作面成功投用，并已稳定运行1年。
来源：智能矿山杂志
