多点移动式矿井全断面测风系统硬件设计

1 引言

煤炭是我国长期以来的主体能源，在能源结构中持续占据主导地位，预计短期内仍难以被完全替代。然而，煤矿地下生产环境复杂，受瓦斯、水害、冲击地压和地质条件等多种因素影响，安全生产面临严峻挑战[1]。除透水事故外，多数煤矿事故与通风系统相关[2]。事故发生的主要原因包括通风网络中风流监测不完善、通风设备落后、通风构筑物控制技术不健全，以及系统整体监测、控制与管理水平不足[3]。

为保障通风系统安全稳定运行，需借助传感器实时监测巷道内瓦斯、一氧化碳、氧气浓度及温湿度等关键参数，为系统管理提供可靠依据[4，5]。为落实国家“机械化换人、自动化减人”及“五型四化”战略，加快推进智能通风系统建设已成为煤矿智能化转型的关键任务[6，7]。

王国法界定了智慧矿山的内涵与发展阶段，指出智能技术研发是智慧煤矿建设的核心任务[7-10]。周福宝阐述了矿井智能通风系统的组成及其智能联动机制与实现途径[11]。卢新明等学者则分别从智能监测、通风控制、管理系统及高性能监控等方面开展了深入研究，为矿井智能通风系统的构建提供了关键技术支撑[12]。

智能通风系统的建设亟需加强对测风系统的研究。该系统不仅可提升测风效率，还能实现测风数据数字化，为智能通风奠定基础，从而增强测风作业的安全性与可靠性，推动煤矿向智能化、绿色化、少人化方向发展。

2 测风装置硬件结构设计

本系统设计涵盖PLC、机械臂及传感器等关键硬件，以下分别对其选型和功能要求进行分析。图1 为系统总体硬件设计。

图 1 总体硬件系统设计图

测风装置的硬件系统由控制单元、通信单元、数据处理单元与数据采集模块四部分构成。

控制单元以PLC（可编程逻辑控制器）为核心，配备模拟量输入模块，负责系统控制与运行管理；通信单元采用网络交换机，基于ModbusTCP 协议实现设备间高效数据交换与远程监控，保障实时通信；数据处理单元依托高性能计算机，进行数据处理、分析及存储，确保数据传输与保存；数据采集模块包括移动测风单元和风速传感器。

3 测风装置主要硬件选型

3.1PLC 选型

测风装置控制系统基于其 I/O 与通信需求，选用 SIMATIC S7-200 SMART 作为主控单元，具体包括 CPU S7-200（DC/DC/DC）及模拟量输入模块 AE04，共同构成 PLC 控制系统。

3.2 机械臂选型

测风装置选用 BRTIRUS0707A 六轴机械臂作为移动测风单元，用于执行系统运动任务。该机械臂灵活性高，控制精确，可适应井下复杂工况，完全满足井下作业需求。

3.3 传感器选型

在全断面自动测风装置中，选用 JXBS-3001-FSFX 型超声波风速传感器。该传感器基于超声波测风原理，通过测量声波脉冲传播时差，精确计算风速与风向。该设备无需机械维护和现场校准，有效降低运营成本，提高系统可靠性，完全满足井下测风系统对数据采集、实时监测与远程控制的各项要求。

4 PLC 设备组态及通信环网构建

测风装置组装完成后，需基于 PLC 完成各硬件的系统配置。本研究采用 STEP7-MicroWIN SMART 编程软件开展测风系统主控单元的软件开发。该软件由西门子公司专为 S7-200 SMART 系列 PLC 设计，支持梯形图与指令表编程，具备高效的调试与诊断功能，可显著提高开发效率。

STEP 7-MicroWIN SMART 与 S7-200 SMART 硬件高度兼容，支持模块化设计、在线监控和仿真，广泛用于机械自动化、能源管理等工业领域。

测风系统的通信控制基于 Modbus/TCP 协议设计。该协议基于以太网，依托 TCP/IP栈传输数据，具有良好的扩展性、兼容性与易用性，适用于工业自动化实时数据交换。

在本系统中，Modbus/TCP 支持灵活组网，适合构建冗余环网，增强系统抗干扰与容错。当部分链路故障时，通信仍可维持，从而保障系统的高可靠性与实时性，降低成本，实现各单元间稳定高效的通信连接。

5 主要结论

本文详细介绍了全断面测风系统硬件部分的设计与实现，包括硬件结构设计、关键硬件选型、连接方式及 PLC 组态等内容。在分析系统整体需求的基础上，设计了由控制单元、通信单元、数据处理单元与数据采集模块构成的硬件架构，明确了各模块功能。针对井下特殊环境，选用了适应性强、可靠性高的硬件设备：PLC 采用西门子 SIMATICS7-200 SMART 系列；机械臂选用 BRTIRUS0707A 型号。系统通信基于环网结构构建，保障了设备间实时可靠的数据传输。上述硬件设计与实施为测风系统在复杂井下环境中稳定、高效运行奠定了坚实基础，并为后续调试与优化提供了良好条件。

参考文献

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[2]宁小亮. 2013-2018 年全国煤矿事故规律分析及对策研究[J]. 工矿自动化， 2020，46（07）：34-41.

[3]卢新明. 矿井通风智能化技术研究现状与发展方向[J]. 煤炭科学技术， 2016，44（07）：47- 52.

[4]武永胜， 李林. 井工煤矿精准测风技术智能化改造研究[J]. 华北科技学院学报，2020， 17（03）：21-25.

[5]王恩， 张浪， 李伟， 等. 多点移动式测风装置及关键技术[J]. 煤矿安全， 2016，47（06）：97-99+103.

[6]李杰， 邱伯华. 工业大数据：工业 4. 0 时代的工业转型与价值创造[M]. 北京：机械工业出版社，2019.

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[9]王国法， 王虹， 任怀伟， 等. 智慧煤矿 2025 情景目标和发展路径[J]. 煤炭学报，2018， 43（02）：295-305.

[10]王国法. 煤矿智能化最新技术进展与问题探讨[J]. 煤炭科学技术， 2022，50（01）：1-27.

[11]周福宝， 魏连江， 夏同强， 等. 矿井智能通风原理、关键技术及其初步实现[J].煤炭学报， 2020， 45（06）：2225-2235.

[12] 卢 新 明 ， 尹 红 . 矿 井 通 风 智 能 化 理 论 与 技 术 [J]. 煤 炭 学 报 ， 2020，45（06）：2236-2247.