PLC 和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在礦山風(fēng)機站集控系統(tǒng)中的應(yīng)用

張東永，孫 越，黃 艷

1金川集團股份有限公司二礦區(qū) 甘肅金昌 737100

2金川集團股份有限公司銅業(yè)公司 甘肅金昌 737100

二礦區(qū)是大型下向膠結(jié)充填法機械化開采礦山，出礦量已突破 430 萬 t，礦井通風(fēng)系統(tǒng)采用多級機站進風(fēng)、地表主扇集中回風(fēng)的多機站壓抽混合式通風(fēng)。二礦區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)呈對角式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)有 7 個進風(fēng)區(qū)和 2 個回風(fēng)區(qū)。通風(fēng)區(qū)域涉及 5 條豎井，4 個中段，3 個副中段，3 個分段和 1 條主斜坡道。

目前二礦區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備包括 8 臺 DK40 系列對旋風(fēng)機，3 套 K45 系列的空氣幕。由于各風(fēng)機站建設(shè)安裝時間跨度大，裝備系統(tǒng)技術(shù)水平層次不齊，自動化和信息化程度整體較低。系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)沒有集中顯示，只能依靠各風(fēng)機站崗位人員定時現(xiàn)場巡檢獲得，勞動生產(chǎn)率低；設(shè)備檢測手段不完善，系統(tǒng)風(fēng)壓、風(fēng)速、電動機電流、電樞溫度和電動機振動等系統(tǒng)重要技術(shù)參數(shù)缺失；沒有建立系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)庫和故障診斷系統(tǒng)，維修不便；沒有安裝變頻器實現(xiàn)集控，無法在 10 min 內(nèi)實現(xiàn)系統(tǒng)反風(fēng)。為了消除系統(tǒng)存在的上述問題，提高系統(tǒng)的自動化和信息化水平，適應(yīng)大型坑采礦山數(shù)字化建設(shè)的潮流，筆者采用計算機技術(shù)、PLC 技術(shù)、變頻技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對通風(fēng)系統(tǒng)進行了升級改造，取得了顯著效果。

1 通風(fēng)系統(tǒng)

二礦區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)共有 11 臺主要通風(fēng)機組，其中8 臺為 DK40 系列對旋通風(fēng)機，3 臺為 K45 系列的空氣幕。一級風(fēng)機站 5 個，布置在井下各主要通風(fēng)平巷內(nèi)，主要作用為分配風(fēng)量和增加通風(fēng)動能；二級風(fēng)機站 3 個，起引導(dǎo)風(fēng)流和克服回風(fēng)側(cè)通風(fēng)阻力的作用；井下 3 組空氣幕，用于局部風(fēng)流和風(fēng)量調(diào)節(jié)，提高通風(fēng)效果。風(fēng)機安裝位置如圖 1 所示，各風(fēng)機參數(shù)如表1 所列。

由于是多中段下向膠結(jié)充填進路式回采金屬礦山，生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，系統(tǒng)龐大，通風(fēng)系統(tǒng)服役年限長，各風(fēng)機站安裝建設(shè)時間跨度大，裝備系統(tǒng)技術(shù)水平層次不齊，自動化程度低，目前系統(tǒng)主要存在以下問題。

(1)除 850 m 東、西風(fēng)機站外，其余風(fēng)機站控制系統(tǒng)均采用傳統(tǒng)的繼電器和接觸器控制方式。這種控制方式落后，設(shè)備檢測手段不完善、故障檢測不及時，可靠性差，維護量大，對各風(fēng)機和主要表征參數(shù)無法實現(xiàn)遠程集中控制和監(jiān)視；系統(tǒng)故障時不能及時發(fā)現(xiàn)，維修人員必須到現(xiàn)場進行故障判斷，耗時長，生產(chǎn)影響大。

表1 風(fēng)機站風(fēng)機參數(shù)Tab.1 Parameters of ventilators in each ventilator station

(2)由于系統(tǒng)沒有實現(xiàn)集控，所有設(shè)備均在現(xiàn)場操作，勞動生產(chǎn)率低，風(fēng)機站分散，距離較遠，協(xié)調(diào)工作不便，且崗位人員嚴重不足。風(fēng)機站只能實現(xiàn)定期巡檢，不能實時掌握各風(fēng)機站運行狀況，系統(tǒng)可靠性差。

(3)1 000 m 以上 TB7 風(fēng)機站、新 TB8 風(fēng)機站、1 150 m 管纜井風(fēng)機站、1 350 m 風(fēng)機站和 1 000 m 礦石轉(zhuǎn)運道風(fēng)機站 5 處風(fēng)機，由于投入使用年限較長，驅(qū)動為非節(jié)能型電動機，且電動機溫度、振動等檢測裝置缺失，沒有安裝制動系統(tǒng)。

圖1 風(fēng)機安裝位置示意Fig.1 Sketch of ventilator installation position

(4)根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB l6423—2006)中規(guī)定：主扇應(yīng)有使礦井風(fēng)流在 10 min 內(nèi)反向的措施。當(dāng)利用軸流式風(fēng)機反轉(zhuǎn)反風(fēng)時，其反風(fēng)量應(yīng)達到正常運轉(zhuǎn)時風(fēng)量的 60% 以上。目前，除 850 m東、西風(fēng)機站具備反風(fēng)功能，其他 6 個風(fēng)機站都無法在規(guī)定的時間內(nèi)實現(xiàn)反風(fēng)。

2 集控系統(tǒng)改造

考慮到多機站壓抽混合式通風(fēng)系統(tǒng)的復(fù)雜性，改造集控系統(tǒng)采用了 PC+PLC 控制架構(gòu)[1-3]，各風(fēng)機站 PLC 和上位機屬于控制系統(tǒng)核心設(shè)備，集控系統(tǒng)由監(jiān)控上位機、各風(fēng)機站 SIMATIC S7-1200 PLC、變頻器、現(xiàn)場傳感器、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)等組成?？紤]到惡劣的井下環(huán)境，系統(tǒng)設(shè)置了地表和井下遠程集控、現(xiàn)場 PLC 柜觸摸屏控制和現(xiàn)場手動控制 3 級控制模式。通常情況下，井下操作人員在井下 1 150 m 變電站集控站進行集中控制，地表集控中心輔助監(jiān)視，各風(fēng)機站現(xiàn)場無人值守；當(dāng)井下集控站控制出現(xiàn)問題，不能遠程操作各風(fēng)機時，通過授權(quán)由地表集控室操作控制各風(fēng)機站設(shè)備；系統(tǒng)檢修或故障時，操作人員在各風(fēng)機站現(xiàn)場通過安裝在 PLC 控制柜上的 TP1200 COMFORT 觸摸屏啟動和控制風(fēng)機。當(dāng) PLC 控制柜和變頻器出現(xiàn)故障無法及時排除時，系統(tǒng)還設(shè)計了PLC 和變頻器旁路系統(tǒng)，通過現(xiàn)場手動控制箱和直接啟動柜啟動風(fēng)機，使風(fēng)機在短時間內(nèi)應(yīng)急運行，滿足生產(chǎn)的需要。上位機 WINCC 系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)將各風(fēng)機站 PLC 采集的數(shù)據(jù)進行分析計算并存儲，對風(fēng)機運行關(guān)鍵參數(shù)在線監(jiān)控，實現(xiàn) 11 臺風(fēng)機的遠程集中控制。各風(fēng)機站 PLC 根據(jù)上位機指令自動控制系統(tǒng)配套 Siemens 變頻器，風(fēng)速變送器將風(fēng)速檢測信號送給 PLC 并與系統(tǒng)給定信號比較，再通過 PLC 內(nèi)部程序運算后控制變頻器驅(qū)動風(fēng)機電動機按照一定的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。但系統(tǒng)受到擾動和環(huán)境發(fā)生變化時，風(fēng)速變送器檢測數(shù)據(jù)發(fā)生變化，檢測值被反饋到 PLC 與風(fēng)速設(shè)定信號比較，經(jīng) PLC 程序運算后向變頻器輸出轉(zhuǎn)速控制信號，驅(qū)動風(fēng)機按照系統(tǒng)所需的轉(zhuǎn)速運行，實現(xiàn)對風(fēng)機閉環(huán)調(diào)速，其閉環(huán)自動調(diào)速控制原理如圖 2所示。現(xiàn)場傳感器對各風(fēng)機站風(fēng)壓、風(fēng)速、振動、電動機軸承溫度、繞組溫度等參數(shù)進行采集，將這些信號傳輸至 S7-1200 控制器。變頻器接收 PLC 和上位機發(fā)出的風(fēng)機轉(zhuǎn)速給定信號、轉(zhuǎn)向信號、故障復(fù)位信號、急停信號等，自動調(diào)節(jié)控制風(fēng)機的安全啟、停和調(diào)速運行。集控網(wǎng)絡(luò)采用拓撲結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過各風(fēng)機站現(xiàn)場交換機、環(huán)網(wǎng)匯聚交換機和光纖匯聚到礦區(qū)千兆光纖環(huán)網(wǎng)，地表集控室通過礦區(qū)千兆環(huán)網(wǎng)交換數(shù)據(jù)。通風(fēng)系統(tǒng)集中控制改造方案如圖 3 所示。

圖2 風(fēng)機閉環(huán)調(diào)速控制原理Fig.2 Control principle of closed-loop ventilator speed regulation

圖3 通風(fēng)系統(tǒng)集中控制改造方案Fig.3 Reconstruction scheme of ventilation system centralized control

3 集控系統(tǒng)控制單元

3.1 集控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

集控網(wǎng)絡(luò)由 DELL I7-8700 操作員站和工程師站、接入和匯聚交換機、SIMATIC S7-1200 控制器、變頻器、現(xiàn)場傳感器、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)等組成。網(wǎng)絡(luò)選用了拓撲結(jié)構(gòu)，為了提高信道利用率，通信實時性和網(wǎng)絡(luò)可靠性，數(shù)據(jù)主干網(wǎng)采用了千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)[1]，網(wǎng)絡(luò)匯聚和接入交換機分別采用了華為 S5700-28P-LI-AC 和東土 Opal10-Ports-PS1-PS2 交換機；各風(fēng)機站 PLC 通過接入交換機與礦區(qū)環(huán)網(wǎng)和上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。PLC 通過 PN 通信協(xié)議與安裝在各風(fēng)機站 PLC 柜上的觸摸屏通信，通過 DP 協(xié)議與變頻器通信[4]。礦區(qū)通風(fēng)集控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖 4 所示。

3.2 PLC 控制系統(tǒng)

PLC 選用 SIMATIC S7-1200 控制器作為控制核心，主要由電源、CPU、數(shù)字量和模擬量 I/O 口、電阻輸入和通信模塊等組成[3]。數(shù)字單元主要檢測風(fēng)機控制方式、風(fēng)機正反轉(zhuǎn)、啟停、急停、故障復(fù)位、變頻器狀態(tài)和抱閘運行情況，并進行信息采集和控制；模擬量處理模塊主要對溫度、壓力和振動等參數(shù)進行轉(zhuǎn)換；通信單元通過工業(yè)網(wǎng)口和 DP 通信負責(zé)與觸摸屏、上位機和變頻器進行通信[4]。風(fēng)機站現(xiàn)場傳感器實時采集現(xiàn)場風(fēng)速、風(fēng)壓、溫度、振動等信號，并將其轉(zhuǎn)換為標準信號傳送給 PLC。

3.3 集控系統(tǒng)

集控系統(tǒng)操作簡單，可實現(xiàn)各風(fēng)機站無人值守模式下的設(shè)備集中控制，系統(tǒng)具有如下功能[1]。

(1)在遠程控制模式下，上位機可實現(xiàn)所有風(fēng)機的啟停、調(diào)速和正反轉(zhuǎn)操作，并顯示各類參數(shù)、參數(shù)曲線、故障報警及歸檔。

(2)通過各風(fēng)機站 PLC 控制站觸摸屏，可單獨對風(fēng)機進行啟停、調(diào)速和正反轉(zhuǎn)操作。

(3)風(fēng)機發(fā)生故障時，可在集控室或現(xiàn)場停用故障風(fēng)機，而不影響其他站點風(fēng)機的正常運行。

(4)實時檢測各風(fēng)機站風(fēng)量和風(fēng)速。

(5)實時監(jiān)測每臺風(fēng)機的電氣參數(shù)。

(6)實時監(jiān)測風(fēng)機驅(qū)動電動機的軸承溫度、電樞溫度和振動。

(7)實時監(jiān)測風(fēng)機電動機轉(zhuǎn)速。

(8)實時模擬通風(fēng)機通風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)圖。

(9)查看風(fēng)量、風(fēng)壓、溫度、振動和電流等參數(shù)的實時運行曲線及歷史記錄。

(10)在監(jiān)控系統(tǒng)中，可進行系統(tǒng)功能組態(tài)、監(jiān)視報警、控制參數(shù)在線修改和調(diào)整，同下位機進行傳輸、通信，采集各設(shè)備與儀表的運行狀態(tài)、各工藝參數(shù)，并進行匯總、處理、報警和故障分析。

(11)具有用戶權(quán)限管理功能，根據(jù)權(quán)限分別授予操作權(quán)限和系統(tǒng)參數(shù)修改及程序修訂權(quán)限。

3.4 集控系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.4.1 PLC 軟件設(shè)計

圖4 礦區(qū)通風(fēng)集中控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.4 Ethernet architecture of ventilation centralized control system in mining area

軟件編程選用了與 S7-1200 編程器相配套的Siemens 博途 V14[3]。各風(fēng)機站的啟?？刂朴羞h程操作、現(xiàn)場觸摸屏操作和現(xiàn)場控制箱操作 3 種方式。遠程集中控制由工控機向 PLC 發(fā)出啟動指令，由 PLC根據(jù)邏輯控制程序?qū)崿F(xiàn)風(fēng)機的自動保護和啟動；現(xiàn)場集中控制由操作人員在各風(fēng)機站 PLC 控制柜 TP1200 COMFORT 觸摸屏發(fā)出啟動指令，PLC 根據(jù)邏輯控制程序?qū)崿F(xiàn)風(fēng)機的自動保護和啟動；選擇現(xiàn)場手動操作時，PLC 的各項控制、保護和檢測功能均被旁路，由操作人員通過風(fēng)機控制箱啟停風(fēng)機。單臺風(fēng)機運程控制流程如圖 5 所示。

3.4.2 上位機組態(tài)軟件設(shè)計

集控系統(tǒng)組態(tài)軟件選用 Siemens 公司的 SIMATIC WinCC V7.4[3]。該軟件的主要子系統(tǒng)有圖形系統(tǒng)、報警信息系統(tǒng)、變量存檔、報表系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和通信系統(tǒng)[5]等組成。通過上位機組態(tài)、過程邏輯組態(tài)、數(shù)據(jù)備份/分析、網(wǎng)絡(luò)通信組態(tài)、系統(tǒng)調(diào)試/診斷功能、管理層分析/決策功能，集控系統(tǒng)實現(xiàn)了遠程監(jiān)控上位機，實時對各風(fēng)機站進行數(shù)據(jù)采集、分析處理、實時控制、統(tǒng)計存儲、故障報警、查詢打印和遠程傳輸?shù)热蝿?wù)，并可在集控室主機及大屏幕上顯示各風(fēng)機站風(fēng)機狀態(tài)動、靜態(tài)圖形、數(shù)據(jù)、曲線、通風(fēng)系統(tǒng)示意圖、模擬量配置圖等[6]。通過用戶權(quán)限管理功能，使用密碼設(shè)置權(quán)限等級，在線調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)各風(fēng)機站通風(fēng)系統(tǒng)控制參數(shù)和控制功能，極大地方便了系統(tǒng)維護和分級管理。14 行風(fēng)機站控制系統(tǒng)主控畫面如圖 6 所示。

圖5 單臺風(fēng)機遠程控制流程Fig.5 Process flow of remote control for single ventilator

圖6 14 行風(fēng)機站監(jiān)控系統(tǒng)主控界面Fig.6 Main control interface of monitoring system for 14-lined ventilation station

4 結(jié)語

基于 PLC 控制技術(shù)、計算機技術(shù)和光纖以太環(huán)網(wǎng)的風(fēng)機集控系統(tǒng)，實現(xiàn)了全礦區(qū) 11 臺主要通風(fēng)機站的遠程集中控制和統(tǒng)一管理，在保證控制系統(tǒng)可靠性的前提下，延伸了管理觸角，降低了運行維護成本，減少了現(xiàn)場崗位操作人員，提高了維護人員對系統(tǒng)突發(fā)事件的應(yīng)急能力。通過技術(shù)改造，降低了能源消耗，實現(xiàn)了風(fēng)機的快速正、反轉(zhuǎn)切換控制，滿足了《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》對通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)的要求，集控系統(tǒng)的自動化、信息化水平顯著提升，也為開展“自動化、智能化”礦山建設(shè)進行了有益的嘗試和探索。