井下遠(yuǎn)程通風(fēng)控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用

黎 釗，朱 帥，霍斌杰

安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司 安徽六安 237000

安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司共有李樓和吳集 2 個(gè)礦區(qū)，采用兩翼對角式通風(fēng)系統(tǒng)，由副井和斜坡道進(jìn)風(fēng)，南、北兩翼的風(fēng)井回風(fēng)。-425 m 水平作為主要入風(fēng)平巷，-250 m 平巷為專用回風(fēng)巷。-250 m 和-425 m 水平間，每 25 m 有 1 個(gè)采礦平巷，分布風(fēng)井通風(fēng)。根據(jù)國家安全監(jiān)管總局確定三年“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”的目標(biāo)，借助智慧化礦山的建設(shè)趨勢，對礦山井下通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了井下遠(yuǎn)程通風(fēng)控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，從根本上增強(qiáng)了設(shè)備的安全性。

1 自動(dòng)控制系統(tǒng)

1.1 控制方式 1

集中式 CPU＋分布式 I/O 系統(tǒng)＋雙冗余現(xiàn)場總線＋上位機(jī)[1]，如圖 1 所示。采用一對冗余的 CPU 來完成對整個(gè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。各風(fēng)機(jī)附近設(shè)控制分站，分站內(nèi)裝分布式 I/O 系統(tǒng)，不設(shè)單獨(dú)的 CPU。CPU 與分布式 I/O 系統(tǒng)之間通過雙冗余現(xiàn)場總線進(jìn)行通信。

圖1 控制方式 1Fig.1 Control mode 1

現(xiàn)場變頻器控制信號、風(fēng)速風(fēng)壓及其他傳感器信號接入風(fēng)機(jī)附近控制分站，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，通過現(xiàn)場總線傳遞給 CPU，CPU 結(jié)合上位機(jī) HMI 人工操作指令和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集信號進(jìn)行程序處理，處理完畢后通過現(xiàn)場總線向分布式 I/O 系統(tǒng)發(fā)出控制指令，分布式 I/O 系統(tǒng)對變頻柜進(jìn)行相應(yīng)的啟、停、正反轉(zhuǎn)和調(diào)速[2]。

SIMATIC ET200 系統(tǒng)、模塊化系統(tǒng)和分布式 I/O系統(tǒng)可以安裝在控制柜里、設(shè)備上或者爆炸危險(xiǎn)場所。此范圍內(nèi)的所有產(chǎn)品都可以通過 PROFIBUS 或PROFINET 集成到現(xiàn)有的自動(dòng)化系統(tǒng)中。

控制方式 1 缺點(diǎn)在于：①一旦分站通信中斷，可能會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)保護(hù)功能失效或造成部分風(fēng)機(jī)停機(jī)；② 對系統(tǒng)運(yùn)維人員技術(shù)水平要求較高，操作不當(dāng)可能導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)；③無法逐臺風(fēng)機(jī)分步調(diào)試，且調(diào)試過程較為復(fù)雜。

1.2 控制方式 2

獨(dú)立中小型 PLC 控制柜+冗余現(xiàn)場總線+上位機(jī)，如圖 2 所示。

圖2 控制方式 2Fig.2 Control mode 2

控制方式 2 為每臺風(fēng)機(jī)獨(dú)立配置 1 套中小型 PLC控制柜，PLC 柜現(xiàn)場采集風(fēng)機(jī)變頻器數(shù)據(jù)和附近的風(fēng)速、風(fēng)壓、溫度等傳感器數(shù)據(jù)，并通過光纖網(wǎng)絡(luò)與地表上位機(jī)進(jìn)行通信，完成程序處理后，直接向變頻器發(fā)出控制指令進(jìn)行相應(yīng)操作。

控制方式 2 優(yōu)點(diǎn)在于：①風(fēng)機(jī)控制程序就地存儲和運(yùn)行，通信中斷不影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行；② 對系統(tǒng)運(yùn)維人員技術(shù)水平要求一般，操作不當(dāng)只會影響單臺風(fēng)機(jī)運(yùn)行；③可以逐臺風(fēng)機(jī)調(diào)試，隨時(shí)可接入通信網(wǎng)絡(luò)。

控制方式 2 缺點(diǎn)在于：①每臺風(fēng)機(jī) 1 套程序，不便于程序歸檔管理；② 無法直接通過 CPU 完成高級過程控制，二期智能通風(fēng)時(shí)需要增加額外的高級控制器；③沒有冗余現(xiàn)場總線功能，現(xiàn)場級通信可靠性較低。

1.3 對比分析

（1）井下環(huán)境條件復(fù)雜，通信光纜被砸斷的問題時(shí)有發(fā)生，控制方式 1 雖采用了冗余現(xiàn)場總線，但仍可能因通信中斷而造成風(fēng)機(jī)停機(jī)，不符合礦井通風(fēng)故障安全要求。而控制方式 2 的 PLC 控制柜就在機(jī)旁，通信中斷只會造成無法遠(yuǎn)程操控，風(fēng)機(jī)會保持通信中斷前的原狀態(tài)持續(xù)運(yùn)行，且保護(hù)功能仍然有效，這符合礦井通風(fēng)故障安全狀態(tài)要求。

（2）將原有 1 個(gè) CPU 完成的任務(wù)分解為若干個(gè)中小型 CPU 來完成，雖然管理起來復(fù)雜一些，但程序可讀性和系統(tǒng)容錯(cuò)能力提高，整個(gè)系統(tǒng)對技術(shù)人員的技術(shù)水平要求降低，后期維護(hù)難度下降。

（3）采用標(biāo)準(zhǔn)化的以太網(wǎng)通信接口協(xié)議，各控制分站可在該協(xié)議中作為智能化設(shè)備來進(jìn)行管理，日后智能通風(fēng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)可利用該協(xié)議來進(jìn)行對接，從而解決現(xiàn)有 CPU 不具備高級過程控制功能的問題[3]。

資產(chǎn)規(guī)模在一定程度上決定了銀行的市場競爭能力、盈利能力和抗風(fēng)險(xiǎn)能力，而銀行的盈利能力也是其資產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)張的關(guān)鍵。2007年底，銀行業(yè)總資產(chǎn)只有53萬億元，但到了2011年末，這一數(shù)字已快速增長到113萬億元，短短4年翻了一番還多[2]。目前，中國銀行的發(fā)展主要是依靠規(guī)模的擴(kuò)張，而規(guī)模的擴(kuò)張有利于銀行業(yè)實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)，降低成本。而且，在我國當(dāng)前利差相對穩(wěn)定的情況下，銀行收入水平與存貸款規(guī)模高度相關(guān)，所以，有理由認(rèn)為，高的規(guī)模擴(kuò)張為銀行業(yè)高利潤提供了有利保障。

通過以上對比，針對安徽開發(fā)礦業(yè)通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀，選擇控制方式 2 作為風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)控實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)控制技術(shù)方案。

2 工業(yè)控制通信

2.1 通信標(biāo)準(zhǔn)

選擇基于工業(yè)以太網(wǎng)的 TCP/IP 或 PROFINET 作為整個(gè)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的通信標(biāo)準(zhǔn)，原因如下：

（1）原有的四級風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)控系統(tǒng)控制柜采用西門子S7-300 CP343-1EX30-0XE0 作為通信網(wǎng)卡，為避免重復(fù)投資，新系統(tǒng)應(yīng)與之兼容。

（2）與現(xiàn)場總線技術(shù)（PROFIBUS-DP、MODBUS-485）相比，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)（TCP/IP、PROFINET、ETHERNET/IP）具有傳輸速率高、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活、故障診斷簡便等諸多優(yōu)點(diǎn)。

（3）使用 PROFINET 協(xié)議時(shí)，新增加的各 PLC 分站可作為智能化設(shè)備來進(jìn)行集中控制和診斷，為后期系統(tǒng)集成和功能擴(kuò)展提供更好的支撐。

2.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞桨钢饕?3 種：①主干環(huán)形+分支環(huán)形拓?fù)?；?主干環(huán)形拓?fù)?分支線型拓?fù)?；③主干環(huán)形拓?fù)?分支星型拓?fù)?。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵Ρ热绫?1 所列。

表1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵Ρ萒ab.1 Comparison of network topology

“環(huán)形＋環(huán)形”拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性最高，但投資高、工程量大、運(yùn)維難度高；“環(huán)形＋線型”拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)投資低、工程量小，但系統(tǒng)可靠性偏低[4]；“環(huán)形＋星型”拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)投資費(fèi)用和工程量中等，系統(tǒng)可靠性也較好。因此，綜合對比后選擇環(huán)形＋星型拓?fù)渥鳛楝F(xiàn)場工業(yè)控制通信網(wǎng)絡(luò)方案，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽馊鐖D 3 所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽釬ig.3 Sketch of network topology

3 操作控制

系統(tǒng)整體功能包括所有風(fēng)機(jī)的統(tǒng)一管理，在遠(yuǎn)程模式下，可以實(shí)現(xiàn)所有接入自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)機(jī)的集中控制及遠(yuǎn)程監(jiān)控?？梢暬膱D形界面可以實(shí)時(shí)展示所有風(fēng)機(jī)的狀態(tài)；其設(shè)置的分級子畫面可以展示單臺風(fēng)機(jī)的詳細(xì)信息及啟停調(diào)速控制。配合視頻監(jiān)視系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)無人值守。其控制功能設(shè)置如下：

（1）系統(tǒng)設(shè)置就地控制、遠(yuǎn)程集控 2 種操作模式，操作模式切換由風(fēng)機(jī)啟動(dòng)柜原盤面轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)。如果單區(qū)域 PLC 集中控制站與調(diào)度中心中央監(jiān)控站通信中斷，則可轉(zhuǎn)換為就地控制模式。

（2）風(fēng)機(jī)就地啟停及調(diào)速操作由風(fēng)機(jī)啟動(dòng)柜盤面上的按鈕和電位計(jì)實(shí)現(xiàn)，通過啟動(dòng)柜盤面指示燈及儀表可以顯示風(fēng)機(jī)狀態(tài)及電流轉(zhuǎn)速等參數(shù)。此種模式可脫離 PLC 自控系統(tǒng)，就地操作單臺風(fēng)機(jī)；

（3）遠(yuǎn)程集控模式負(fù)責(zé)所有風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)視及管理。當(dāng)某臺風(fēng)機(jī)或者系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，在操作界面上會出現(xiàn)報(bào)警信號，并顯示相關(guān)的故障信息。

（4）利用光纖介質(zhì)與工業(yè)以太網(wǎng)，調(diào)度中心與各風(fēng)機(jī)站點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通。在完成所有風(fēng)機(jī)監(jiān)控的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備啟停運(yùn)行、數(shù)據(jù)存儲、故障報(bào)警等功能。

4 設(shè)備選型

4.1 控制器

考慮到遠(yuǎn)控的一級和四級風(fēng)機(jī)之間距離遠(yuǎn)，因此每臺風(fēng)機(jī)采用每臺風(fēng)機(jī) 1 個(gè) PLC 控制柜。PLC 集中控制站負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)所有風(fēng)機(jī)的控制，控制柜 PLC 采用西門子或 ABB 中端級以上 PLC 控制器，如圖 4 所示。

圖4 PLC 控制器Fig.4 PLC controller

4.2 傳感器

目前市場上的風(fēng)速、風(fēng)壓等傳感器種類繁多，利用此次項(xiàng)目，通過對比試驗(yàn)，安裝不同類型符合要求的傳感器，選擇出性能優(yōu)越適合礦井環(huán)境的產(chǎn)品。

風(fēng)速測量傳感器[5]有很多種分類，主要可以分為皮托管式風(fēng)速傳感器、螺旋槳風(fēng)速傳感器、霍耳效應(yīng)電磁風(fēng)速傳感器、熱線式風(fēng)速傳感器以及超聲波式風(fēng)速傳感器等。由于風(fēng)速測量傳感器產(chǎn)品性能參差不齊，擬使用以下 4 種不同風(fēng)速傳感器，如：FC-2A三杯式風(fēng)速傳感器（霍耳效應(yīng)）、KGF2 礦用風(fēng)量傳感器（超聲波）、GFY15（B）型礦用雙向風(fēng)速傳感器（皮托管）、GTx108-F Ebtron 熱線式風(fēng)速風(fēng)量傳感器（熱線式）。

礦用負(fù)（風(fēng)）壓傳感器，擬使用以下 3 種不同風(fēng)壓傳感器，如：GPD5000F 負(fù)壓傳感器、KG3033 礦用負(fù)壓傳感器、KGY3A 型礦用負(fù)壓傳感器。

5 最終實(shí)現(xiàn)的功能

（1）集中操作 在控制室上位機(jī)上完成。操作員在操作站的工控組態(tài)軟件運(yùn)行窗口，選擇處于遠(yuǎn)控待命狀態(tài)的風(fēng)機(jī)，然后按“啟動(dòng)”按鈕，即可啟動(dòng)此風(fēng)機(jī)，按“停止”按鈕，此風(fēng)機(jī)就會停止運(yùn)行。停機(jī)后系統(tǒng)禁止馬上按“反轉(zhuǎn)”按鈕（對電動(dòng)機(jī)的一種保護(hù)）。設(shè)備進(jìn)行反轉(zhuǎn)時(shí)，整個(gè)啟停過程由自動(dòng)運(yùn)行程序控制。

（2）就地操作 此方式用于設(shè)備檢修或設(shè)備調(diào)試，防止風(fēng)機(jī)意外自啟動(dòng)，同樣也可作為緊急停機(jī)使用。如果對風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況有充分的了解，可以直接就地操控風(fēng)機(jī)，上位機(jī)界面如圖 5 所示。

圖5 上位機(jī)界面Fig.5 Interface of master computer

（3）重要功能 ①實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)變頻器的啟停、正反轉(zhuǎn)、急?？刂?，并監(jiān)測其運(yùn)行狀態(tài)、故障等信號，能通過 I/O 模塊實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)變頻器的啟停、正反轉(zhuǎn)、急?？刂?，并設(shè)置以通信控制為第一優(yōu)先級的控制轉(zhuǎn)換功能；② 能對變電所或變頻柜內(nèi)煙霧傳感器信號實(shí)時(shí)監(jiān)測，事故情形下能自動(dòng)報(bào)警，并能實(shí)時(shí)調(diào)取相關(guān)配電室視頻監(jiān)控；③對電動(dòng)機(jī)繞組溫度、電動(dòng)機(jī)兩端軸承溫度進(jìn)行監(jiān)測、采集，能采集變頻器工作電流、頻率等運(yùn)行參數(shù)并能遠(yuǎn)程監(jiān)控；④ 具有傳感器信號斷線、網(wǎng)絡(luò)信號斷線、PLC 及其 I/O 模塊故障的監(jiān)測、報(bào)警功能，如圖 6 所示；⑤ 可設(shè)置風(fēng)機(jī)變頻器最大允許調(diào)節(jié)頻率；⑥ 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，具備人機(jī)對話及顯示功能；⑦上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)控制風(fēng)機(jī)變頻器柜的分合閘，并監(jiān)視其故障保護(hù)狀況，持續(xù)監(jiān)測風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的軸承溫度、定子繞組溫度、變壓器每相繞組溫度信號，在超溫時(shí)能可靠地發(fā)出報(bào)警；顯示、記錄所監(jiān)測的各個(gè)溫度，提供歷史數(shù)據(jù)的查詢；⑧ 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)快速響應(yīng)，對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障做到準(zhǔn)確顯示和實(shí)時(shí)報(bào)警。

圖6 風(fēng)機(jī)參數(shù)監(jiān)控Fig.6 Monitoring of fan parameters

6 結(jié)語

（1）井下遠(yuǎn)程通風(fēng)控制系統(tǒng)從井下通風(fēng)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制需求出發(fā)。綜合控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)，穩(wěn)定可靠。在通信中斷、無法遠(yuǎn)程操控的極端情況下，風(fēng)機(jī)仍會保持通信中斷前的原狀態(tài)持續(xù)運(yùn)行，且保護(hù)功能仍然有效，這符合礦井通風(fēng)故障安全狀態(tài)的要求。

（2）完善系統(tǒng)的監(jiān)控保護(hù)功能，同時(shí)引進(jìn)了風(fēng)速、風(fēng)壓等傳感器，如皮托管式、螺旋槳式、霍耳效應(yīng)電磁式、熱線式及超聲波式等。

（3）隨著產(chǎn)業(yè)的不斷進(jìn)步，本質(zhì)安全的理念已經(jīng)成為礦山企業(yè)的共識和硬性要求。借助智慧化礦山的系統(tǒng)建設(shè)趨勢，礦山井下通風(fēng)系統(tǒng)成為礦山企業(yè)自動(dòng)化、信息化和智慧化建設(shè)的重要組成部分，從根本上增強(qiáng)了設(shè)備的安全性能，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。