礦井主通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及測(cè)試評(píng)估

高春

（山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原030006）

1 主通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)試

本文提供了主通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收的方法和步驟，所描述的測(cè)試方法基于合同相關(guān)要求，嚴(yán)格遵守國(guó)家相關(guān)質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)，保證產(chǎn)品質(zhì)量，符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施需要。測(cè)試是在系統(tǒng)內(nèi)部測(cè)試完成的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，即已經(jīng)通過(guò)了驗(yàn)收前的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和預(yù)驗(yàn)收。測(cè)試的目的在于通過(guò)對(duì)系統(tǒng)功能和性能檢驗(yàn)，驗(yàn)證主通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)的各項(xiàng)功能和性能是否滿足合同要求、設(shè)計(jì)要求[1-3]。

本測(cè)試方案的依據(jù)是合同、招標(biāo)文件、設(shè)計(jì)文件、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和主通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)范圍內(nèi)的控制設(shè)備。企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)低于招標(biāo)文件的，按照招標(biāo)文件要求執(zhí)行。測(cè)試大綱覆蓋標(biāo)準(zhǔn)要求所有內(nèi)容，并且根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況有所增加。

2 系統(tǒng)介紹

主通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓樸圖見(jiàn)圖1。本監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控對(duì)象主要為2 臺(tái)FBCDZ-10-№31 型礦用防爆對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī) （其中1 臺(tái)工作，1 臺(tái)備用）和2 臺(tái)水平風(fēng)門(mén)絞車(chē)、2 臺(tái)垂直風(fēng)門(mén)絞車(chē)。系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)來(lái)源于：通風(fēng)機(jī)、風(fēng)門(mén)、電動(dòng)機(jī)、高低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備等。

圖1 主通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓樸圖

本系統(tǒng)的硬件主要包括振動(dòng)傳感器、風(fēng)速傳感器、負(fù)壓和差壓變送器、PLC 控制柜、報(bào)警器及上位機(jī)及通訊裝置等。

主通風(fēng)機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的安全可靠在煤礦安全生產(chǎn)中起著非常重要的作用。該自動(dòng)控制系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，一部分是風(fēng)機(jī)高壓柜的監(jiān)控，通過(guò)硬接線的方式，將高壓柜的重要數(shù)據(jù)、分合閘狀態(tài)以及控制同PLC 控制柜連接，通過(guò)PLC控制柜觸摸屏實(shí)現(xiàn)高壓控制柜數(shù)據(jù)、分合閘狀態(tài)檢測(cè)和控制；另一部分是風(fēng)機(jī)運(yùn)行各種參數(shù)的監(jiān)測(cè)，通過(guò)各種傳感器（振動(dòng)、風(fēng)機(jī)電機(jī)的軸溫、風(fēng)機(jī)電機(jī)的定子溫度、風(fēng)速、風(fēng)量、負(fù)壓）將風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)傳輸至PLC 控制柜，通過(guò)PLC 控制柜觸摸屏實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)運(yùn)行各種參數(shù)的監(jiān)測(cè)。通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的各種參數(shù)經(jīng)PLC 邏輯判斷后，對(duì)異常情況進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警。通過(guò)工業(yè)環(huán)網(wǎng)將各種信息上傳至調(diào)度室控制平臺(tái)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)調(diào)度室、集控室的遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的主要功能有以下描述。

（1）監(jiān)測(cè)功能

高壓開(kāi)關(guān)柜信息采集：分合閘狀態(tài)、風(fēng)機(jī)電機(jī)運(yùn)行電壓、電流、功率等參數(shù)。

通風(fēng)機(jī)信息采集：風(fēng)機(jī)電機(jī)前后軸和繞組溫度、通風(fēng)機(jī)機(jī)體振動(dòng)；當(dāng)參數(shù)值超出設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)報(bào)警。

通風(fēng)系統(tǒng)信息采集：風(fēng)量、風(fēng)速、靜壓、全壓等參數(shù)。

風(fēng)門(mén)、蝶閥信息采集：開(kāi)位、關(guān)位狀態(tài)、打開(kāi)過(guò)程、關(guān)閉過(guò)程、故障等信息。

（2）控制功能

系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)單臺(tái)設(shè)備的單獨(dú)控制功能；系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制功能；系統(tǒng)具有報(bào)警及處理功能，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警。

（3）控制方式

現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)有三種控制模式： 就地控制/遠(yuǎn)程控制/集中控制，就地控制是設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)自身的控制； 遠(yuǎn)程控制是由PLC 控制柜觸摸屏對(duì)設(shè)備的控制；集中控制是由調(diào)度室生產(chǎn)控制平臺(tái)對(duì)設(shè)備的控制。其中遠(yuǎn)程控制/集中控制模式包含手動(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)三種控制方式，具體描述如下:

就地控制模式：當(dāng)選擇開(kāi)關(guān)置于“就地”時(shí)，在就地操作箱或者設(shè)備本體上通過(guò)按鈕控制設(shè)備。

遠(yuǎn)程控制模式：即PLC 控制柜觸摸屏控制，將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備選擇開(kāi)關(guān)置于“遠(yuǎn)程”，觸摸屏上選擇“觸摸屏”控制，通過(guò)觸摸屏對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行單動(dòng)或聯(lián)動(dòng)控制，并監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)。

集中控制模式：即PLC 控制柜觸摸屏控制，將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備選擇開(kāi)關(guān)置于“遠(yuǎn)程”，觸摸屏上選擇“調(diào)度室”控制，通過(guò)調(diào)度室或集控室生產(chǎn)控制平臺(tái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行單動(dòng)或聯(lián)動(dòng)控制，并監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)。

手動(dòng)控制方式： 在遠(yuǎn)程控制/集中控制模式下，選擇手動(dòng)控制方式，可以對(duì)單臺(tái)設(shè)備進(jìn)行操作，并通過(guò)觸摸屏或者生產(chǎn)控制平臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)。

半自動(dòng)控制方式： 在遠(yuǎn)程控制/集中控制模式下，選擇半自動(dòng)控制方式，可以一次操作完成一臺(tái)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)或者停止全部流程，并通過(guò)觸摸屏或者生產(chǎn)控制平臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)。

自動(dòng)控制方式： 在遠(yuǎn)程控制/集中控制模式下，選擇自動(dòng)控制方式，可以一次操作完成兩臺(tái)風(fēng)機(jī)互相切換的所有流程，并通過(guò)觸摸屏或者生產(chǎn)控制平臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)。

（4）數(shù)據(jù)處理功能

系統(tǒng)可以自動(dòng)完成風(fēng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)，為風(fēng)機(jī)的維護(hù)提供指導(dǎo)性的數(shù)據(jù)。

（5）遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能

控制系統(tǒng)預(yù)留遠(yuǎn)程監(jiān)視的接口，技術(shù)人員不在現(xiàn)場(chǎng)就可以通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)查看現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作狀態(tài)，幫助現(xiàn)場(chǎng)人員迅速解決發(fā)生的問(wèn)題。

3 子系統(tǒng)接入設(shè)計(jì)

主通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控通過(guò)PLC 控制器上的預(yù)留的通訊接口就近接入工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳，以及本系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)接入生產(chǎn)綜合監(jiān)控平臺(tái)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 主通風(fēng)系統(tǒng)接入示意圖

3.1 硬件接口設(shè)計(jì)

電氣接口：一路AC 220 V 輸入；二路DC 24 V 輸出。

接口位置：主通風(fēng)機(jī)房PLC 控制柜。

對(duì)接設(shè)備：工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。

接口數(shù)量：1 個(gè)。

接口類(lèi)型:RJ45。

3.2 通訊協(xié)議

通訊協(xié)議：TCP/IP 協(xié)議。

3.3 通訊監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

PLC 給生產(chǎn)綜合監(jiān)控平臺(tái)提供一個(gè)脈沖變量，變化頻率為一秒一次，用于通訊狀態(tài)的檢測(cè)。

4 上位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 就地監(jiān)控設(shè)計(jì)

PLC 控制柜配置嵌入式觸摸屏，作為現(xiàn)場(chǎng)的上位機(jī)； 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控上位主要作用是能夠直觀地、實(shí)時(shí)地、 動(dòng)態(tài)地給出當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行的所有狀態(tài)、按照工藝流程要求給現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)下發(fā)對(duì)應(yīng)的指令。主通風(fēng)系統(tǒng)主畫(huà)面示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 主通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控示意圖

4.2 顯示功能

以模擬圖的方式顯示風(fēng)機(jī)運(yùn)行界面、風(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)顯示界面、風(fēng)機(jī)操作界面顯示、風(fēng)機(jī)越限報(bào)警顯示。在顯示界面中以文本或靜態(tài)/動(dòng)態(tài)圖形的方式來(lái)顯示設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)以及工作狀態(tài)。高壓配電柜的運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)：合分閘狀態(tài)、電壓、電流、功率、功率因數(shù)等。

通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)： 風(fēng)機(jī)電機(jī)前后軸和繞組溫度、通風(fēng)機(jī)機(jī)體振動(dòng)；當(dāng)參數(shù)值超出設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)報(bào)警。

通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)：風(fēng)量、風(fēng)速、靜壓、全壓等參數(shù)。

風(fēng)門(mén)、蝶閥監(jiān)測(cè)：開(kāi)位、關(guān)位狀態(tài)、打開(kāi)過(guò)程、關(guān)閉過(guò)程、故障等信息。

4.3 控制功能

本節(jié)控制功能的描述并非直接參與現(xiàn)場(chǎng)的邏輯控制，是以現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備層的PLC 控制系統(tǒng)為依托來(lái)實(shí)現(xiàn)的，僅僅是控制指令的下發(fā)。

通過(guò)礦調(diào)度室與現(xiàn)場(chǎng)人員的遠(yuǎn)程配合，按規(guī)定操作流程，在礦調(diào)度室遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)單設(shè)備啟、停控制，完成主/備切換（包括風(fēng)門(mén)開(kāi)/關(guān)、蝶閥開(kāi)/關(guān)、風(fēng)機(jī)啟/?？刂疲?/p>

4.4 安全保護(hù)功能

為了系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)采用帳號(hào)管理的機(jī)制，限制不同人員的操作權(quán)限，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全。登錄之后操作員擁有自己的訪問(wèn)級(jí)別，同時(shí)獲取了相應(yīng)的操作權(quán)限。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)定了訪問(wèn)時(shí)間，超過(guò)訪問(wèn)時(shí)間后將自動(dòng)注銷(xiāo)用戶。

4.5 事故自動(dòng)報(bào)警功能

系統(tǒng)對(duì)溫度、壓力、振動(dòng)、靜壓、風(fēng)量等重要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行快速分析處理，當(dāng)產(chǎn)生某事故信號(hào)時(shí)，觸摸屏上立即顯示相應(yīng)事故部位和內(nèi)容，并有音響報(bào)警。

經(jīng)授權(quán)的操作者可以在權(quán)限范圍內(nèi)隨意定義一些警報(bào)產(chǎn)生的條件。

5 主通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控點(diǎn)

在風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)電機(jī)的前后軸溫、三相定子溫度、風(fēng)機(jī)振動(dòng)參數(shù)、電機(jī)電流、電壓、風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口處?kù)o壓、風(fēng)壓、風(fēng)速、風(fēng)量等一系列的參數(shù)。監(jiān)測(cè)這些參數(shù)，得到風(fēng)機(jī)實(shí)際的工作情況，為通風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行和及時(shí)報(bào)警提供可靠的保證。系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控點(diǎn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1、表2、表3。

表1 通風(fēng)機(jī)測(cè)控點(diǎn)

表2 高壓柜測(cè)控點(diǎn)

表3 通風(fēng)機(jī)電機(jī)測(cè)控點(diǎn)