工作面通風(fēng)機集中控制系統(tǒng)的設(shè)計

李逍遙

（華陽集團 泊里公司安監(jiān)通風(fēng)部，山西 晉中 032700）

1 概 況

通風(fēng)系統(tǒng)是井下煤炭生產(chǎn)的“肺”，是確保煤炭安全開采的重要因素。通風(fēng)系統(tǒng)從地面為工作面輸送新鮮空氣，改善人員的工作環(huán)境。本文以泊里公司煤礦為研究對象，為提高該礦通風(fēng)系統(tǒng)的自動化程度，并確保其與工作面其他自動化系統(tǒng)相吻合，對通風(fēng)機進行了PLC集中控制改造。

2 通風(fēng)機集中控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案

泊里公司通風(fēng)系統(tǒng)有2臺互備的通風(fēng)機，采取機械通風(fēng)。通風(fēng)機規(guī)格型號為AGF606-3.0-1.58-2，屬于抽出式軸流通風(fēng)機，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 AGF606-3.0-1.58-2通風(fēng)機主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of AGF606-3.0-1.58-2 ventilator

為提高泊里公司通風(fēng)系統(tǒng)的自動化程度，達到風(fēng)量控制精確、節(jié)能降耗的目的，決定對該礦通風(fēng)機進行PLC集中控制改造。通過分析研究，結(jié)合泊里公司實際情況，此次優(yōu)化改造需達到以下目標(biāo)。

（1）實時掌握井下工作面用風(fēng)量，在保障風(fēng)量的前提下，盡量降低通風(fēng)機的能耗。

（2）集中控制系統(tǒng)融合高低壓配電、變頻、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

（3）控制系統(tǒng)實時監(jiān)測通風(fēng)機的運行狀態(tài)，可對冷卻風(fēng)機、潤滑站等裝置進行控制。

（4）能夠?qū)νL(fēng)系統(tǒng)中的2臺通風(fēng)機切換控制，對其運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，監(jiān)測所得數(shù)據(jù)及時上傳并存儲；一旦通風(fēng)機發(fā)生異常，能夠及時做出響應(yīng)，如停機、報警等操作。

以冗余控制為原則，設(shè)計通風(fēng)系統(tǒng)集中控制策略，控制流程如圖1所示。

圖1 通風(fēng)機集中控制的總體方案設(shè)計Fig.1 Overall scheme design of centralized control of fan

3 硬件設(shè)計

3.1 變頻器的選型

變頻器是通風(fēng)機風(fēng)量控制的核心組件，變頻器的性能對通風(fēng)機的風(fēng)量控制及調(diào)節(jié)精度具有決定性作用。通過對泊里公司AGF606-3.0-1.58-2型通風(fēng)機性能及主要參數(shù)的研究，為滿足較寬的調(diào)速區(qū)間要求，經(jīng)過分析對比，選擇型號為5HK62-5B的變頻器。

3.2 PLC的選型

依照通風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，選用西門子PLC為核心組件，型號為S7-400HPLC CPU224，該控制器配置14個輸入端口、10個輸出端口。為了滿足泊里公司通風(fēng)機的實際需要，確保通風(fēng)控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，對PLC進行一定程度的改造，增加一些模擬輸入模塊和數(shù)字量輸出模塊，擴展了該控制系統(tǒng)的功能。模擬輸入模塊的任務(wù)是將采集到的信號進行數(shù)字量和模擬量的轉(zhuǎn)換，數(shù)字量輸出模塊的作用是增加輸出點。對控制系統(tǒng)的輸入、輸出點予以統(tǒng)計，具體數(shù)量見表2。

表2 PLC通風(fēng)控制系統(tǒng)的輸入輸出量統(tǒng)計Table 2 Input and Output Statistics of PLC Ventilation Control System

數(shù)字量輸入：IO.0～IO.3；IO.4、IO.5；I1.0；I1.1、I1.2；I1.3；I2.0、I2.1，合計12個輸入。

數(shù)字量輸出：Q0.0；Q0.1、Q0.2；Q0.3；Q0.4、Q0.5；Q1.0、Q1.1；Q2.0、Q2.1；Q2.2、Q2.3；Q2.4，合計13個輸出。

根據(jù)設(shè)計方案，把PLC的輸入、輸出端口和外部設(shè)備逐一連接，PLC地址分配情況如下：PLC的IO.0～IO.3依次對應(yīng)1號、2號通風(fēng)機的4個電動機；IO.4、IO.5分別對應(yīng)1號、2號通風(fēng)機的控制開關(guān)；I1.0對應(yīng)設(shè)備的消音開關(guān)；I1.1、I1.2分別對應(yīng)手動開關(guān)、自動開關(guān)；I1.3對應(yīng)停機按鈕；I2.0、I2.1分別對應(yīng)氣壓信號、瓦斯信號。Q0.0對應(yīng)故障顯示端口；Q0.1、Q0.2分別對應(yīng)中高壓、低壓氣壓顯示；Q0.3對應(yīng)報警端口；Q0.4、Q0.5分別對應(yīng)2個繼電器；Q1.0、Q1.1對應(yīng)1號通風(fēng)機的2臺電機工作狀態(tài)；Q2.0、Q2.1對應(yīng)2號通風(fēng)機的2臺電機工作狀態(tài)；Q2.2、Q2.3分別對應(yīng)手動工作狀態(tài)和自動工作狀態(tài)；Q2.4對應(yīng)瓦斯?jié)舛戎怠?/p>

3.3 傳感器選型

為了提高集中控制系統(tǒng)的自動化和智能化水平，設(shè)置通風(fēng)機和環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)，在線監(jiān)測系統(tǒng)方案如圖2所示。

圖2 集中控制在線監(jiān)測系統(tǒng)Fig.2 Centralized control online monitoring system

由圖2可知，操作人員能夠從觸摸屏或工控機獲知工作面通風(fēng)機的實時運行參數(shù)、供電系統(tǒng)參數(shù)、輔助設(shè)備運行參數(shù)。以上功能的實現(xiàn)，必須為其配備相應(yīng)的傳感器，該系統(tǒng)主要傳感器選型見表3。

表3 關(guān)鍵傳感器選型Table 3 Selection of key sensors

4 軟件設(shè)計

此次設(shè)計的通風(fēng)機集中控制系統(tǒng)采取順序控制的方式。一般情況下，PLC控制程序表達式為梯形圖。通過對集中控制系統(tǒng)控制要點進行分析，可得該控制系統(tǒng)的流程，如圖3所示。

圖3 PLC控制流程Fig.3 PLC control process

由圖3可知，D是傳感器采集到的瓦斯實時濃度值；D0是集中控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)的瓦斯?jié)舛戎?；F1是傳感器采集到的實時氣壓值；F2是集中控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)的工作面氣壓值。操作時，首先由操作員按下啟動按鈕，PLC進入自檢狀態(tài)，若選擇手動模式，則通風(fēng)系統(tǒng)由手動控制；反之，則通風(fēng)系統(tǒng)進入自動運行狀態(tài)。

通風(fēng)機集中控制系統(tǒng)對工作面采集到的濃度值與系統(tǒng)預(yù)設(shè)值進行比較分析，若超過設(shè)定值，則立即報警并且停止運行；對采集到的氣壓值與系統(tǒng)預(yù)設(shè)值進行比較分析，如果高于設(shè)定值，則2臺通風(fēng)機進入輪休狀態(tài)，反之，則2臺通風(fēng)機同時開始工作。

5 應(yīng)用效果

泊里公司通風(fēng)機遠(yuǎn)程化、自動化PLC集中控制系統(tǒng)在原有監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改造優(yōu)化而成，該系統(tǒng)應(yīng)用后，可實現(xiàn)實時在線監(jiān)測通風(fēng)機狀態(tài)、運行參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等信息，多方位實現(xiàn)通風(fēng)機的切換、啟停，具有自動排瓦斯、一鍵快速送電、單雙機切換運行等功能，操作簡單。這些功能的實現(xiàn)，使得通風(fēng)系統(tǒng)自動化程度大大提高，控制精度有效提升，降低了能耗。

同時，集中控制系統(tǒng)能夠直觀的將通風(fēng)機的運行數(shù)據(jù)以圖形畫面、曲線、趨勢圖、報表等多種形式輸出，支持打印、信息的WEB服務(wù)。

監(jiān)測系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控視頻接入調(diào)度系統(tǒng)，可實現(xiàn)井下通風(fēng)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和無人值守。集中控制系統(tǒng)應(yīng)用后，泊里公司人員效益、經(jīng)濟效益顯著，具體情況見表4、表5。

從表4、表5可以看出，泊里公司采用集中控制系統(tǒng)后，每年可節(jié)省人力105人。以10 a期計算，可節(jié)約資金12 920萬元。同時，巡檢次數(shù)由原來的1 h/次，改為2 h/次，勞動強度顯著降低。

表4 泊里公司兩種方式人員效益比較Table 4 Comparison of personnel benefits between the two modes of the Bori Company

表5 泊里公司兩種方式經(jīng)濟效益比較Table 5 Comparison of economic benefits between the two modes of the Bori Company

6 結(jié) 語

以泊里公司煤礦為研究對象，為提高該礦通風(fēng)系統(tǒng)的自動化程度，在原有監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進行了通風(fēng)機PLC集中控制系統(tǒng)優(yōu)化改造。通風(fēng)機PLC集中控制系統(tǒng)應(yīng)用后，該礦通風(fēng)系統(tǒng)自動化程度大幅提高，提升了控制精度，降低了能耗，勞動強度明顯降低。同時，每年可節(jié)省人力105人，以10 a期計算，可節(jié)約資金12 920萬元，經(jīng)濟效益顯著。