喻興洪，楊智成，黃才明，陳治宏，宋 飛

（貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550008）

1 隧道施工通風(fēng)的研究背景

隧道施工通風(fēng)作為隧道工程建設(shè)的“生命線”，直接關(guān)系到整個隧道工程建設(shè)期的施工安全。對于長大瓦斯隧道而言，通風(fēng)費(fèi)用所占施工成本比例日漸提高，其經(jīng)濟(jì)運(yùn)行對隧道工程建設(shè)具有重要的經(jīng)濟(jì)效益。此外，通風(fēng)設(shè)計是按照最困難時期（一般按最長送風(fēng)距離）要求選擇風(fēng)機(jī)和通風(fēng)設(shè)備，而在不同施工進(jìn)度時所需風(fēng)量不同。隨著施工技術(shù)及設(shè)備制造工藝水平的進(jìn)步，越來越多瓦斯隧道施工通風(fēng)選用帶有變頻器的先進(jìn)風(fēng)機(jī)以及相應(yīng)環(huán)境監(jiān)測傳感器（如瓦斯傳感器、風(fēng)速傳感器以及二氧化碳傳感器等）?；谒淼朗┕ば枰约艾F(xiàn)有設(shè)備，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)通風(fēng)的智能控制，及時掌握風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，反饋隧道掌子面供風(fēng)需求并進(jìn)行實(shí)時控制，從而有力保障風(fēng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)、可靠和安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)按需供風(fēng)，為安全施工、節(jié)能減排提供技術(shù)保障，也為通風(fēng)管理提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

在隧道施工通風(fēng)自動化與智能化研究與實(shí)踐方面，眾多學(xué)者開展了富有成效的工作。劉石磊等[1]提出了一種隧道施工通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，并采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)與風(fēng)機(jī)頻率的非線性映射；郝俊鎖[2]考慮隧道瓦斯施工特點(diǎn)和需求，系統(tǒng)建立了瓦斯隧道安全監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架，以實(shí)現(xiàn)“多網(wǎng)合一”，其中子系統(tǒng)包含有通風(fēng)在線監(jiān)控；周建明等[3]對紅豆山1#斜井多種高濃度有害氣體建立了通風(fēng)管理系統(tǒng)，并控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)控制和管理；劉鋼立等[4]提出了長距離盾構(gòu)區(qū)間施工智能變頻通風(fēng)技術(shù)方案。

在現(xiàn)有研究中，對隧道施工通風(fēng)監(jiān)測及控制取得了豐碩的成果，然而對于長大瓦斯隧道施工通風(fēng)還需深入研究，以便管理者隨時了解隧道內(nèi)環(huán)境和風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況。本文以桐梓隧道為工程背景，以工控機(jī)和可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）為核心遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制，綜合運(yùn)用了現(xiàn)代風(fēng)機(jī)通風(fēng)監(jiān)測理論，以國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，應(yīng)用工業(yè)計算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)，對隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控。

2 工程概況

桐梓隧道位于貴州省遵義市桐梓縣大河鎮(zhèn)，其中第七合同段右洞全長6.016 km，左洞全長6.002 km，分為進(jìn)口工區(qū)和斜井工區(qū)，隧道穿過高瓦斯煤系地層段，為高瓦斯工區(qū)，隧道開挖過程中極易產(chǎn)生瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等災(zāi)害。進(jìn)口工區(qū)在施工過程中，先后遭遇可燃?xì)怏w并發(fā)生持續(xù)燃燒情況，經(jīng)鑒定可燃?xì)怏w為瓦斯，目前最高體積分?jǐn)?shù)為0.12%，隨著掌子面往前推進(jìn)，地勘資料標(biāo)明前方底層瓦斯體積分?jǐn)?shù)將升高，最后剩余炭質(zhì)泥巖段為瓦斯突出段[5-6]。目前，進(jìn)口工區(qū)通風(fēng)方式采用巷道式通風(fēng)。第135頁圖1為通風(fēng)方式示意圖。

圖1 通風(fēng)方式示意圖

3 通風(fēng)智能控制系統(tǒng)

通風(fēng)智能控制系統(tǒng)綜合利用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、無線通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測及遠(yuǎn)程控制。

通風(fēng)智能控制系統(tǒng)主要由PLC監(jiān)控系統(tǒng)、上位機(jī)組態(tài)軟件系統(tǒng)、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集傳感器系統(tǒng)三大部分組成。

通風(fēng)智能控制系統(tǒng)配以計算機(jī)等各種外圍設(shè)備，在軟件的配合下，完成數(shù)據(jù)的采集、分析等工作，以圖表等多種形式顯示在顯示器上。系統(tǒng)總體架構(gòu)與工作流程見圖2。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)與工作流程

通風(fēng)智能控制系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程測控功能，實(shí)時監(jiān)測風(fēng)機(jī)工況參數(shù)，遠(yuǎn)程控制風(fēng)機(jī)啟動、停止等操作；實(shí)現(xiàn)當(dāng)主風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障或停電時，自動切換至備用風(fēng)機(jī)的功能；當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)超標(biāo)時，自動停掉掘進(jìn)機(jī)等生產(chǎn)設(shè)備的電源；能夠在地面監(jiān)控室通過計算機(jī)控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，即在計算機(jī)上點(diǎn)擊切換測試按鈕，自動完成切換測試；能夠監(jiān)測風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，如電流、振動等，當(dāng)所測運(yùn)行參數(shù)超標(biāo)時，給出預(yù)警信號；每臺風(fēng)機(jī)控制柜配置100 Mb/s以太網(wǎng)接口，使PLC控制柜能直接通過光纖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信；地面監(jiān)控軟件能夠記錄風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)操作運(yùn)行的歷史資料，包括風(fēng)機(jī)切換的時間、遠(yuǎn)程切換還是就地手動切換、設(shè)備送電時間和停電時間等。

3.1 硬件系統(tǒng)

通風(fēng)智能控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由掌子面環(huán)境傳感器、自然環(huán)境傳感器、PLC控制器、變頻器、無線分站、上位機(jī)等設(shè)備組成。其中掌子面環(huán)境傳感器包括瓦斯、一氧化碳、粉塵、風(fēng)速等傳感器，用以確定工作面的需風(fēng)量。環(huán)境傳感器布置見第136頁圖3。掌子面環(huán)境傳感器將收集到的環(huán)境參數(shù)通過無線分站傳至PLC控制器，PLC控制器經(jīng)分析后控制變頻器從而改變風(fēng)機(jī)供風(fēng)量，風(fēng)機(jī)動作和信息同時傳送至上位機(jī)，上位機(jī)實(shí)現(xiàn)整個通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)時信息和狀態(tài)的采集，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

圖3 環(huán)境傳感器布置圖

3.2 軟件系統(tǒng)

通風(fēng)智能控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)主要包括上位機(jī)組態(tài)軟件系統(tǒng)及下位機(jī)PLC控制程序。上位機(jī)組態(tài)軟件系統(tǒng)主要用于實(shí)時顯示各風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)情況以及環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)，對異常值進(jìn)行預(yù)警和提示，并與PLC進(jìn)行通信，顯示并檢查網(wǎng)絡(luò)情況，此外，對風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，即通過鼠標(biāo)和鍵盤在地面監(jiān)控室實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制。下位機(jī)PLC控制程序主要用于實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的自動啟動、停止，基于環(huán)境傳感器自動改變風(fēng)機(jī)頻率，調(diào)節(jié)風(fēng)量，考慮隧道施工現(xiàn)場情況，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場手動控制。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

上位工控機(jī)與監(jiān)控分站之間采用以太網(wǎng)通信方式，各環(huán)境傳感器通過無線分站將信號傳至PLC控制器，PLC控制器通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)進(jìn)行通信，PLC與變頻器采用RS485通信接口實(shí)現(xiàn)集中控制，從而讀取變頻器工作狀態(tài)和故障參數(shù)信息，并改變變頻器工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)進(jìn)行自動控制。

4 結(jié)論

本文開發(fā)了一套公路長大瓦斯隧道施工通風(fēng)智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由PLC監(jiān)控系統(tǒng)、上位機(jī)組態(tài)軟件系統(tǒng)、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集傳感器系統(tǒng)三大部分組成。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了施工隧道內(nèi)環(huán)境參數(shù)實(shí)時感知，通過無線傳輸以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)傳輸，PLC進(jìn)行調(diào)控變頻器控制風(fēng)機(jī)，上位機(jī)接收顯示信息并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)的建立在桐梓隧道進(jìn)口工區(qū)實(shí)現(xiàn)了施工通風(fēng)的智能控制和科學(xué)管理，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益，對隧道施工通風(fēng)提供了參考。