Hệ thống tự động điều khiển và kiểm soát quá trình thông gió mỏ hầm lò

Nội dung text: Hệ thống tự động điều khiển và kiểm soát quá trình thông gió mỏ hầm lò

1. THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN VÀ KIỂM SOÁT QUÁ TRÌNH THÔNG GIÓ MỎ HẦM LÒ TS. Nguyễn Minh Phiên ThS. Hoàng Quang Hợp ThS. Thiều Đình Thành, ThS Phạm Hữu Hải Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin Biên tập: ThS. Phạm Chân Chính Tóm tắt: Với mục tiêu giảm chi phí điện năng cho hệ thống thông gió mỏ, góp phần tăng năng suất lao động và nâng cao hiệu quả trong khai thác khoáng sản. Việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ kiểm soát tự động các quá trình thông gió được coi là tất yếu trong thời điểm hiện tại. Với thực trạng các mỏ hầm lò hiện nay, để áp dụng một hệ thống hiện đại có mức độ tự động hóa cao sẽ là mục tiêu khó khăn thiếu thực tế. Do vậy, cần từng bước rà soát, đánh giá các điều kiện kỹ thuật mỏ để nghiên cứu ứng dụng từng phần, bán tự động hệ thống thông gió, sau đó cần có lộ trình cụ thể để tự động hóa toàn phần các quá trình thông gió mỏ hầm lò. 1. Đặt vấn đề làm việc trong hầm mỏ. Từ đó, hệ thống sẽ đưa ra Trong khai thác than hầm lò, công tác thông gió cảnh báo, điều khiển tự động các thành phần đảm đóng vai trò rất quan trọng. Ngoài việc cung cấp đủ bảo tối ưu luồng gió trong mỏ hầm lò. lượng không khí cần thiết cho công nhân làm việc, Mục tiêu chính của hệ thống thông gió là duy trì giảm nhiệt độ, giảm hàm lượng bụi, cải thiện điều môi trường không khí thích hợp cho công nhân và kiện vi khí hậu, thông gió trong mỏ hầm lò còn có thiết bị làm việc. Để giải quyết vấn đề này, cần đưa tác dụng hoà loãng khí mê tan cũng như các loại không khí sạch vào khu vực làm việc và nhanh khí độc hại khác xuống dưới giới hạn cho phép chóng đưa các khí độc hại, bụi theo gió bẩn ra nhằm ngăn ngừa cháy nổ mỏ. Trong một mỏ hầm khỏi môi trường làm việc. Để làm giảm chi phí cho lò điển hình, chi phí điện năng dành cho hệ thống thông gió, có thể lựa chọn thông gió chọn lọc hay thông gió chiếm tới 1/3 tổng năng lượng điện tiêu lựa chọn đối tượng để thông gió, cho phép tập thụ. Việc giảm chi phí sản xuất được coi là mục trung phần lớn dòng không khí chính đến khu vực tiêu của bất kỳ doanh nghiệp khai thác khoáng sản phát hiện hay phát sinh nhu cầu thông gió và giảm nào nhằm nâng cao hiệu quả kinh doanh sản xuất hoặc đưa một lượng không khí vừa đủ vào khu của đơn vị. vực không làm việc. Hệ thống thông gió làm việc Hệ thống tự động điều khiển thông gió hay chỉ cần duy trì một lượng gió sạch vừa đủ cho nhu thông gió theo nhu cầu (Ventilation on demand – cầu hòa loãng khí độc tạo ra một môi trường tiêu VOD) là một giải pháp tối ưu hiện nay cho phép giải chuẩn theo quy định an toàn sẽ là tiết kiệm nhất. quyết nhiệm vụ này. Khái niệm “Thông gió theo Nhờ khả năng quan trắc và phân tích tình trạng nhu cầu” là thực hiện thông gió trong mỏ hầm lò không khí mỏ đạt hiệu suất cao, cho phép tăng ở một thời điểm cụ thể, điều khiển gió từ nơi có năng suất công tác mỏ và tiết kiệm chi phí thông nhu cầu thấp tới những nơi có nhu cầu cao, việc gió mỏ. này dẫn tới cho phép giảm chi phí thông gió của 2. Lịch sử phát triển của hệ thống VOD hệ thống thông gió mỏ. Phương pháp dường như Từ nhu cầu thực tế này, năm 1986, một công ty có vẻ đơn giản, tuy nhiên thuật toán điều khiển các của Canada có tên gọi là SimSmart bắt đầu phát thiết bị của hệ thống rất phức tạp, cần phải tính tới triển một hệ thống công nghệ quản lý thông gió do hoạt động của rất nhiều thành phần trong đó như: hải quân Mỹ đặt hàng. Danh sách các nhiệm vụ quạt gió chính, cửa gió, quạt cục bộ, các cảm biến của hệ thống là khá lớn, hệ thống phải mô phỏng kiểm soát khí và luồng gió nhằm thống kê, đánh và thực hiện công tác kiểm soát chất lỏng và không giá tình trạng lưu lượng gió, không khí mỏ, với các khí trên tàu ngầm cho các quá trình hoạt động của chế độ kiểm soát và quan trắc liên tục môi trường hệ thống sưởi, hệ thống thông gió và điều hòa KHCNM SỐ 2/2021 * AN TOÀN MỎ 45
2. THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ không khí, trong đó có tính đến khả năng làm việc đã phát triển hai phương pháp điều khiển hệ thống các hệ thống điện sẵn có. Do vậy, yêu cầu cần sử thông gió tự động khác nhau tùy thuộc theo quy dụng các thiết bị hiện đại cùng phần mềm quản lý mô và mục tiêu sản xuất cụ thể của doanh nghiệp để kiểm soát quá trình đó. Hệ thống này đã đáp mỏ. Hệ thống SmartEXEC có thể tính đến những ứng được hầu hết các yêu cầu của đối tác. Tuy thay đổi thực tế trình trạng không khí môi trường nhiên, không dừng tại đây, đến năm 2006 công trong khu vực khai thác và quản lý dòng không ty này bắt đầu nghiên cứu áp dụng thử nghiệm khí chung cung cấp cho mỏ, hoặc cũng có thể sử hệ thống này vào điều kiện trong không gian hầm dụng một lựa chọn mở rộng các yếu tố khác như: mỏ, tại các mỏ than và các doanh nghiệp khai chiều sâu khai thác, nhiệt độ, chất lượng không thác quặng để giám sát điều khiển hệ thống thông khí, sự có mặt của công nhân và thiết bị trong một gió. Với sự tham gia trực tiếp của các chuyên gia khu vực khai thác cụ thể để khoanh vùng quản lý. khai thác mỏ, vào cuối năm 2006 hệ thống này Ngoài việc kiểm soát các luồng không khí, hệ đã được nghiên cứu áp dụng thành công và cấp thống có khả năng đảm bảo tối ưu hóa năng lượng bằng sáng chế công nghệ đầu tiên về kiểm soát tự ở mức cao nhất. Hệ thống sử dụng một phần mềm động các quá trình thông gió mỏ và có tên gọi là máy tính để hiển thị, giám sát, phân tích và điều SmartEXEC (kiểm soát năng lượng thông minh). khiển quá trình thông gió. Đây được coi là bộ não 3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống VOD của hệ thống, có thể cài đặt tự động điều chỉnh Hệ thống sử dụng OPC (phần mềm chung cho hoặc hỗ trợ cho nhân viên hệ thống điều khiển phép các phần mềm dùng với các thiết bị phần các thành phần còn lại làm việc chính xác. Hoạt cứng của các hãng khác nhau), sử dụng chuyển động của phần mềm này dựa trên số lượng lớn đổi dữ liệu từ bất kỳ thiết bị nào đó tới bất kỳ một các thông tin từ các cảm biến tại tất cả các vị trí chương trình ứng dụng khác mà không làm lẫn sản xuất, đưa ra các cảnh báo về hàm lượng khí, đường truyền của các thiết bị điều khiển thành vận tốc gió, lưu lượng gió thực tế. Từ đó sẽ tự phần. OPC kết nối các thiết bị thông tin liên lạc và động hoặc bán tự động điều khiển hệ thống cửa kiểm soát nên công nghệ này có thể dễ dàng tích gió, quạt gió chính, quạt gió cục bộ, để tăng lưu hợp vào các hệ thống thông gió. Các thành phần lượng gió hoặc giảm tùy theo nhu cầu thực tế của kiểm soát của hệ thống có thể kết nối trực tiếp các hộ tiêu thụ. Ngoài ra, phần mềm này cũng giúp thông qua hệ thống điều khiển PLC (thiết bị điều ích cho các kỹ sư trong việc tính toán thông gió khiển lập trình, thiết kế chuyên dùng trong ngành mỏ, kiểm tra và xác minh các thông số có phù hợp công nghiệp để điều khiển các tiến trình xử lý từ với quy định an toàn hay không. đơn giản đến phức tạp). Khi các kết nối được thiết Việc gia tăng các hộ tiêu thụ gió không nhất lập giữa các thành phần thiết bị, hệ thống phần thiết phải tăng công suất của hệ thống thông gió. mềm bắt đầu theo dõi và quản lý từng phần của Bởi vì trong một số trường hợp có thể là phân phối các khu vực khai thác trong hầm mỏ. Khi thay đổi lại vừa đủ trong các khu vực làm việc hiện tại với số lượng các thành phần quản lý của hệ thống luồng không khí sẵn có, với phần mềm mô phỏng thông gió thì có thể đưa dữ liệu vào để thiết lập các quá trình thông gió sẽ cho thấy các nguồn dự thay đổi trong chương trình. Các thông số mới trữ gió để tối ưu hóa các luồng gió cho hệ thống được đưa vào một cách trực tiếp bởi người điều thông gió. Một thách thức phải đối mặt với công hành hệ thống. Khi cơ sở dữ liệu đã được cập nhật ty Simsmart, là tạo ra một sản phẩm có thể được đầy đủ phần cứng, phần mềm hệ thống sẽ tái lập sử dụng tại các mỏ có quy mô bất kỳ và có thể áp hoạt động kiểm soát và ghi lại sự thay đổi cơ sở dụng tại bất kỳ giai đoạn phát triển và sản xuất của hạ tầng của hệ thống điều khiển. Một trong những doanh nghiệp. Để giải quyết vấn đề này, chương vấn đề tối ưu hóa hệ thống điều khiển thông gió tự trình SmartEXEC có tới các cấp độ khác nhau động đó là sự thay đổi liên tục trong điều kiện làm (bảng 1), mỗi cấp độ trong số đó có những lợi thế việc dưới lòng đất. Các hệ thống điều khiển phải riêng của nó và có thể được sử dụng tùy thuộc vào kiểm soát, giám sát chất lượng và lưu lượng của quy mô sản xuất từng mỏ và các yêu cầu về an không khí cho tất cả các khu vực khai thác, các toàn và tiết kiệm năng lượng. vị trí hoạt động của máy móc và thiết bị trong mỏ. 4. Kết luận Dựa trên 20 năm kinh nghiệm trong quá trình Hiện nay, công nghệ kiểm soát tự động các xây dựng và phát triển hệ thống, công ty Simsmart quá trình thông gió và thông gió theo nhu cầu đang 46 KHCNM SỐ 2/2021 * AN TOÀN MỎ
3. THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ KHCNM SỐ 2/2021 * AN TOÀN MỎ 47
4. THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ Hình 1. Giao diện cơ bản của phần mềm quản lý SmartEXEC Bảng 1. Các cấp độ kiểm soát của hệ thống Kiểm soát dựa trên mô Kiểm soát Các hình (các phép đo được thông cấp độ tính toán dựa trên các Mô tả cấp độ kiểm soát thường thực thông số thực: áp suất, (đo lường hiện nhiệt độ, sức cản không khí vật lý) theo chiều sâu khai thác ) Kiểm soát thủ công: phần mềm cho phép điều Cấp khiển từ xa trên mặt bằng mỏ các thiết bị như Tiêu Tùy chọn độ 1 bật/tắt quạt, cài đặt tốc độ, đóng mở cửa gió, chuẩn điều chỉnh cửa sổ gió. Lập kế hoạch kiểm soát: căn cứ trên thời gian, ngưỡng tín hiệu và đặc biệt là nhu cầu gió trong Cấp Tiêu từng thời điểm (sau nổ mìn, hàm lượng khí tăng Tùy chọn độ 2 chuẩn cao, trong thời gian gương lò hoạt động hoặc ngừng hoạt động ). Cấp Tự động kiểm soát lưu lượng gió, hàm lượng khí Tiêu Tùy chọn độ 3 và nhiệt độ. chuẩn Cấp Kiểm soát lưu lượng thông qua tính toán nhu cầu Tiêu Tùy chọn độ 4 thông gió. chuẩn Tối ưu hóa kiểm soát dòng không khí phân phối Cấp Tiêu cũng như năng lượng điện tiêu thụ cho quạt gió Tùy chọn độ 5 chuẩn chính. phát triển mạnh mẽ, tại các nước có ngành công bán tự động) dựa trên nguyên lý kiểm soát và nghiệp khai thác than phát triển đã và đang nghiên phân phối gió theo nhu cầu. cứu áp dụng các hệ thống thông gió tự động (hoặc Trong bối cảnh chi phí sản xuất tăng cao, tồn 48 KHCNM SỐ 2/2021 * AN TOÀN MỎ
5. THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ Hình 2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống khi thực hiện các cấp độ kiểm soát và điều khiển khác nhau Hình 3. Sơ đồ cấu trúc và các thành phần của hệ thống KHCNM SỐ 2/2021 * AN TOÀN MỎ 49
6. THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ kho lớn, cần nghiên cứu các giải pháp góp phần оптимальных систем автоматического giảm giá thành sản phẩm than. Theo kế hoạch sản управления проветриванием подземных xuất của TKV, sản lượng than hầm lò sẽ tăng lên рудников. // Стратегия и процессы освоения và chiếm khoảng 80% tổng sản lượng vào năm георесурсов: матер, ежегодн. научн. сессии 2030. Để đạt được mục tiêu đề ra, ngoài việc triển Горного института УрО РАН по результатам khai áp dụng đồng bộ dây chuyền hiện đại trong НИР в 2009 г. — Пермь. — 2010.— С. 151 — khai thác than nhằm nâng cao hiệu quả trong khai 162. thác kinh doanh, việc nghiên cứu ứng dụng công [2]. Гитис Ю.Л. Шахтная вентиляция. nghệ kiểm soát tự động các quá trình thông gió và Автоматическая система управления и thông gió theo nhu cầu tại các mỏ than hầm lò là контроль за заходами.// издательство «Горная một giải pháp khả quan, góp phần tiết giảm chi phí книга» - 2012.- C.280-282. điện năng cho hệ thống thông gió, giúp giảm nhân [3]. Website: công trong công tác thông gió - kiểm soát khí mỏ, contractors/ventilation/simsmart giảm giá thành khai thác và nâng cao năng suất [4]. In full control, Sara Perno. Mining Magazine, lao động. July/August 2011, p. 59—61. Tài liệu tham khảo: [1]. Круглов Ю. В. Научные основы построения The automatic control and monitoring system for the underground mine ventilation Dr. Nguyen Minh Phien, MSc. Hoang Quang Hop, MSc. Thieu Dinh Thanh MSc. Pham Huu Hai - Vinacomin – Instiute of Mining Science and Technology Abstract: For the purpose of decrease in electricity costs for the mine ventilation system and increase in the labor productivity and improvement of the mineral mining efficiency. The research on and application of the automatic control for the ventilation processes are considered indispensable at the present time. In consideration of the current status of underground mines, it will be a difficult and unrealistic goal to apply a modern system with a high degree of automation. Therefore, it is necessary to step by step review and evaluate the technical conditions of the mine to study and apply the partial and semi-auto ventilation system, then a specific roadmap for the whole automation of underground mine ventilation processes. 50 KHCNM SỐ 2/2021 * AN TOÀN MỎ