Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống tự động giám sát trạm quạt thông gió chính trong khai thác than hầm lò

Đinh Đức Tùng - Nguyễn Lê Thùy Dương - Nguyễn Xuân Đồng - Nguyễn Thế Vinh (Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa)

Tóm tắt:

Bài báo trình bày về vấn đề nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống tự động giám sát trạm quạt thông gió chính trong khai thác than hầm lò. Hệ thống được thiết kế chế tạo sử dụng các công cụ phần tử và linh kiện hiện đại mức tiêu hao thấp, đáp ứng được trong môi trường làm việc khắc nghiệt về nhiệt độ, độ ẩm, nhiễu điện từ trường. Hệ thống tự động giám sát giúp có tính thực tiễn cao khi có thể theo dõi quá trình vận hành từ xa hạn chế được phần nào nhân công, thống kê và lưu trữ các số liệu hỗ trợ quá trình bảo trì động cơ trạm quạt một cách chính xác và kịp thời làm tăng tuổi thọ cũng như độ chính xác của động cơ.

Từ khóa: Tự động hóa, trạm quạt thông gió chính, khai thác than hầm lò, Ethernet cáp quang.

1. Đặt vấn đề

Hiện nay có nhiều mỏ than hầm lò ở Việt Nam đã tiến hành khai thác ở mức sâu hơn so với mực nước biển và dần xuống tới mức -300m hoặc sâu hơn nữa. Càng xuống sâu thì không gian hẹp, bụi nổ và khí dễ cháy nhiều, do đó cần không khí sạch trong hầm lò, làm mát cho người lao động cũng như trung hòa nồng độ khí độc, khí nổ và bụi nổ xuống dưới mức cho phép theo quy phạm để bảo đảm điều kiện làm việc an toàn cho con người và cho sản xuất.

Vì vậy, vấn đề thông gió mỏ đóng vai trò quan trọng trong khai thác than hầm lò. Trạm quạt gió chính tại cạnh miệng giếng hoặc cửa lò bằng để cung cấp chính lượng gió sạch cũng như dẫn các khí độc hại ra ngoài. Yêu cầu các trạm quạt đảm bảo hoạt động điều tiết lưu lượng gió trong hầm lò một cách liên tục, còn các động cơ hoạt động của trạm quạt phải luôn được theo dõi và luôn đáp ứng được tính dự phòng nóng khi có sự cố hay bảo trì. Tuy nhiên, việc vận hành cũng như theo dõi động cơ hầu hết đều thực hiện bằng tay.

Vì chưa được trang bị các thiết bị giám sát nên việc theo dõi tình trạng của thiết bị các thông số gió của trạm quạt thông gió chính gặp nhiều khó khăn, đặc biệt khi có tình huống sự cố xảy ra. Cụ thể, trong việc theo dõi tình trạng của động cơ để kịp thời bảo trì, bảo dưỡng làm tăng tuổi thọ động cơ, hay theo dõi lưu lượng gió sạch một cách liên tục cần thiết cung cấp cho môi trường làm việc trong hầm lò.

Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa đã phối hợp cùng một số công ty như: Than Nam Mẫu, Khe Chàm, Hòn Gai tiến hành khảo sát thực trạng trạm quạt thông gió chính của các mỏ để phục vụ việc nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống tự động giám sát trạm quạt thông gió chính dùng cho hầm lò với nỗ lực sớm đưa được hệ thống vào phục vụ các mỏ.

2. Nội dung

2.1. Thực trạng hệ thống trạm quạt thông gió chính trong hầm lò ở Việt Nam

Qua tìm hiểu, khảo sát quá trình vận hành cũng như thiết bị thuộc trạm quạt thông gió chính đang được lắp đặt và vận hành tại một số công ty khai thác than hầm lò tại mỏ than Quảng Ninh thì thấy các trạm quạt thông gió chính được thiết kế cấu trúc hợp lý, vận hành dễ, không gian lắp đặt thiết bị rộng rãi. Tuy nhiên, bên cạnh đó, có một số vấn đề còn hạn chế, như:

- Do trạm quạt được trang bị các loại thiết bị thế hệ cũ nên sau thời gian sử dụng đã bộc lộ tình trạng xuống cấp dẫn đến hệ thống trạm quạt thông gió hoạt động bị giảm độ tin cậy.

- Ngoài ra, trạm quạt chưa được trang bị hệ thống giám sát nên tồn tại một số vấn đề như sau:

+ Phòng điều hành trung tâm mỏ không kịp thời theo dõi và phán đoán tình trạng hoạt động của động cơ nên nếu gặp sự cố sẽ khó khăn đưa ra các biện pháp xử lý kịp thời, làm giảm tuổi thọ và hiệu suất của trạm quạt thông gió chính.

+ Toàn bộ công tác giám sát, thống kê và lưu trữ các thông số vận hành như: thời gian chạy/dừng của các thiết bị, giá trị lưu lượng, tốc độ gió, độ chênh áp,… được thực hiện thủ công, độ chính xác chưa cao và tốn nhiều nhân công.

Để khắc phục toàn bộ các nhược điểm trên, nhóm đề tài đã nghiên cứu và đưa ra giải pháp thiết kế hệ thống tự động giám sát trạm quạt thông gió chính trong khai thác than mỏ hầm lò như được trình bày dưới đây.

2.2. Thiết kế hệ thống tự động giám sát trạm quạt thông gió chính trong khai thác than hầm lò

Để khắc phục toàn bộ các nhược điểm trên, nhóm đề tài đã nghiên cứu và đưa ra giải pháp thiết kế hệ thống tự động giám sát trạm quạt thông gió chính trong khai thác than mỏ hầm lò như được trình bày ở Hình 1:

hinh 1

2.2.1. Các yêu cầu của hệ thống

Ngoài nhiệm vụ khắc phục các nhược điểm của hệ thống trạm quạt thông gió chính vận hành bằng tay, hệ thống tự động giám sát trạm quạt thông gió chính trong khai thác than hầm lò còn phải đáp ứng được các yêu cầu sau:

- Tính hiện đại: Hệ thống phải có cấu trúc tiên tiến, công nghệ hiện đại.

- Tính tin cậy: Các thiết bị của hệ thống phải thích ứng với khả năng làm việc 24/24h trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường mỏ (bụi, ẩm, chấn động cơ học, điện áp nguồn không ổn định). Hệ thống cần có tính năng dự phòng nóng.

- Tính thực tế: Hệ thống vận hành dễ dàng, không đòi hỏi người vận hành có trình độ cao, thuận tiện trong quá trình bảo dưỡng, sửa chữa, thay thế và hiện đại hóa.

- Tính mở: Hệ thống phải có tính mở, có thể phát triển mở rộng tính năng, phạm vi giám sát và điều khiển mới theo qui mô phát triển của mỏ, có thể tích hợp vào hệ thống điều khiển, giám sát tập trung phục vụ giám sát và điều hành sản xuất cho toàn mỏ.

2.2.2. Thiết kế hệ thống

Hệ thống tự động giám sát trạm quạt thông gió chính có cấu trúc tập trung sử dụng mạng Ethernet cáp quang công nghiệp phục vụ cho việc giám sát và chẩn đoán tình trạng trạm quạt thông gió chính tại chỗ và từ xa tại phòng điều hành trung tâm của mỏ.

- Hệ thống giám sát liên tục các thông số về động cơ: nhiệt độ ổ trục động cơ điện, nhiệt độ cuộn dây stator, độ rung động cơ, thông số điện áp và dòng điện ba pha của động cơ; thông số về thông gió: hạ áp, tốc độ gió, lưu lượng gió, hiệu suất quạt gió. Tất cả các thông số hiện thị tại chỗ và được truyền lên phòng điều hành trung tâm thông qua mạng Ethernet cáp quang.

- Thông qua mô hình toán học của hệ thống, các quy chuẩn thông gió mỏ tính toán tỷ lệ thay đổi các thông số, từ đó chẩn đoán sự cố về động cơ cũng như lưu lượng gió cấp cho khu khai thác than hầm lò. Hệ thống sẽ đồng thời phát ra tín hiệu cảnh báo tại trạm quạt và trên phần mềm tại phòng điều hành trung tâm trong trường hợp vượt ngưỡng an toàn cho phép.

- Ngoài ra, các thông số được thống kê theo dạng số liệu, dạng bảng hay đồ thị để xây dựng cơ sở dữ liệu hỗ trợ mỏ trong việc điều hành sản xuất, bảo trì hệ thống.

2.2.3. Các phần tử chính trong hệ thống

Cấu trúc tổng thể cho hệ thống tự động giám sát trạm quạt thông gió gồm hai thành phần chính: phần trạm quạt gió và phòng điều hành trung tâm, cấu trúc như Hình1. Phòng điều hành trung tâm gồm một máy tính cài đặt phần mềm giám sát toàn bộ các thông số của trạm quạt, kết nối với Tủ giám sát điều khiển VIELINA-DKG.01 đặt tại trạm quạt gió thông qua cáp quang Ethernet. Ngoài ra, còn các hệ thống cảm biến theo dõi các thông số:

+ Cảm biến nhiệt độ: nhiệt độ vòng bi, nhiệt độ cuộn dây stator của động cơ quạt.

+ Cảm biến áp suất: độ chênh áp, lưu lượng gió của ống gió trạm quạt.

+ Cảm biến độ rung: độ rung của của mỗi động cơ gồm: rung dọc và rung ngang.

  1. Tủ giám sát VIELINA-DKG.01

Tủ giám sát VIELINA-DKG.01 đặt tại trạm quạt gió, tủ được nối với các tủ khởi động mềm để theo dõi động cơ bằng cáp điện RS485 và nối với phòng điều hành trung tâm thông qua cáp quang Ethernet, ngoài ra có các đầu vào tương tự 4-20mA hay số cho các cảm biến. Tủ giám sát có chức năng:

- Giám sát các thông số để theo dõi tình trạng hoạt động của trạm quạt, bao gồm: nhiệt độ ổ trục động cơ điện, nhiệt độ cuộn dây stator, hạ áp, tốc độ gió, lưu lượng gió, độ rung động cơ, thông số điện áp và dòng điện ba pha của động cơ, hiệu suất quạt gió. Sau đó hiển thị trực tiếp tại chỗ giá trị lên màn hình và từ xa lên máy tính đặt tại phòng điều hành trung tâm.

- Cảnh báo bằng đèn và còi khi các thông số vượt ngưỡng theo quy phạm về thông gió của mỏ.

2. Phần mềm tự động giám sát tại trung tâm

Tại phòng điều hành trung tâm sẽ có nhiệm vụ thu thập toàn bộ dữ liệu, trạng thái và thông số vận hành của các quạt thông gió chính từ tủ giám sát VIEINA-DKG.01 truyền thông qua mạng Ethernet, sau đó lưu trữ, lập báo cáo toàn bộ thông tin của hệ thống. Thông qua các thông tin này, người vận hành có thể giám sát chế độ làm việc trạm quạt thông gió, trạng thái thông gió, tình trạng động cơ từ giao diện của phần mềm giám sát trên màn hình máy tính. Giao diện chính của phần mềm như trên Hình 2 (giao diện được thiết kế dựa trên cấu hình trạm quạt thông gió của Công ty Than Khe Chàm), phần mềm cho phép người dùng hiển thị các thông số theo dõi theo kiểu: dạng bảng, dạng số liệu và dạng đồ thị.

hinh 2

Các tính năng chính của phần mềm giám sát từ xa gồm:

+ Giám sát, hiển thị và lưu trữ toàn bộ các thông tin về giá trị các thông số của động cơ: độ rung của động cơ, điện áp và dòng điện ba pha, nhiệt độ ổ trục bi và cuộn dây stator. Các thông số về thông gió, như: áp suất hạ áp, lượng lượng gió, tốc độ gió, trạng thái quạt, hiệu suất quạt.

+ Cảnh báo trên phần mềm khi các thông số vượt ngưỡng cho phép, hay cảnh báo về tình trạng chẩn đoán động cơ trạm quạt gió.

+ Xây dựng cơ sở dữ liệu hỗ trợ mỏ trong việc điều hành sản xuất, bảo trì hệ thống trạm quạt.

3. Kết luận

Nhóm tác giả đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo thành công hệ thống tự động giám sát trạm quạt thông gió chính là một hệ thống có vai trò đặc biệt quan trọng trong khai thác than hầm mỏ. Với các ưu việt khi áp dụng như sau:

- Các vấn đề còn hạn chế khi giám sát trạm quạt gió bằng tay đã được giải quyết hoàn toàn.

- Thống kê, lưu trữ các thông số về động cơ, lưu lượng, tốc độ gió và thông tin hoạt động của toàn bộ hệ thống trạm quạt thông gió chính hỗ trợ công tác lập báo cáo, thống kê và tra cứu thông tin.

- Giám sát liên tục các thông số vận hành của động cơ trạm quạt, chất lượng gió mà trạm quạt cung cấp. Với chức năng phát hiện và cảnh báo tại chỗ hay tại phòng điều hành trung tâm khi vượt ngưỡng quy định, giúp phát hiện kịp thời cung cấp lượng gió sạch cần thiết cũng như hạn chế những hư hỏng và làm tăng tuổi thọ của động cơ trạm quạt.

- Không cần thiết phải có người trực liên tục tại trạm quạt, bởi các thao tác giám sát, điều khiển có thể thực hiện từ xa tại phòng điều hành trung tâm, giảm bớt phần nào về nhân công, chi phí điện năng, nâng cao hiệu quả và lợi ích kinh tế.

- Những giải pháp kỹ thuật dựa trên công nghệ hiện đại, hệ thống hoàn toàn đáp ứng được tính mở rộng trong tương lai của trạm quạt tại các mỏ khai thác than hầm lò. 

- Với hệ thống tuyến cáp quang tránh ảnh hưởng của sét đến hệ thống, dẫn đến nâng cao tín tin cậy hoạt động của hệ thống; sử dụng hệ truyền dẫn cáp quang này hoàn toàn đáp ứng nhu cầu giám sát trạm quạt bằng hình ảnh bởi các camera.

Định hướng phát triển tiếp theo là mở rộng và tích hợp thành hệ thống tự động điều khiển, giám sát trạm quạt thông gió chính trong khai thác than hầm lò, để có thể tự động hóa hoàn toàn.

Tài liệu tham khảo:

  1. QCVN 01: 2011/BCT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về an toàn trong khai thác than hầm lò- chương III: Thông gió hầm lò và chế độ bụi, khí, 2011.
  2. PGS.TS. Trần Xuân Hà, PGS.TS. Đặng Vũ Chí, ThS. Nguyễn Cao Khải, ThS. Nguyễn Văn Thịnh, Thông gió mỏ, Trường Đại học Mỏ Địa chất.

RESEARCHING, DESIGNING AND MANUFACTURING  THE AUTOMATIC MONITORING SYSTEM FOR THE MAIN VENTILATION FAN STATION IN UNDERGROUND COAL MINING

DINH DUC TUNG

NGUYEN LE THUY DUONG

NGUYEN XUAN DONG

NGUYEN THE VINH

Vietnam Research Institute of Electronics, Informatics and Automation

Abstract:

Researching, designing and manufacturing the automatic monitoring system for the main ventilation fan station in underground coal mining. The system designed and manufactured using modern low-consumption, meets the harsh working conditions in terms of temperature, humidity, electromagnetic interference. The automatic monitoring system has high practical application such as remote-monitoring helps reduce labors; data management helps support the maintenance process of the main ventilation fan station efficiently to increases the life of the motor.

Keywords: Automation, main ventilation fan station, underground coal mining, Ethernet optical cable.