煤礦壓風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊如坤

（中國平煤神馬集團(tuán)平煤股份二礦，河南 平頂山 467000）

引言

煤礦壓風(fēng)機(jī)在煤礦井下設(shè)備中起著重要的作用，是重要的動(dòng)力源之一，也被稱為空氣壓縮機(jī)。煤礦壓風(fēng)機(jī)為鑿巖機(jī)、風(fēng)鎬、氣動(dòng)噴砂、風(fēng)鉆等提供動(dòng)力，其原理是進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換，通過壓縮空氣做功產(chǎn)生內(nèi)能，傳輸在其他設(shè)備將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。傳統(tǒng)的煤礦用壓風(fēng)機(jī)主要是由邏輯控制器和繼電器構(gòu)成，存在很多的弊端，比如可靠性不高、穩(wěn)定性差、實(shí)時(shí)性不能夠很好地保證等。然而，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，將之前的問題都得以很好地優(yōu)化，現(xiàn)在壓風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)主要以PLC 控制器為核心，不僅提高了其穩(wěn)定性，而且有效地保證了實(shí)時(shí)性。目前，國內(nèi)外針對(duì)如何設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)，并且能夠讓壓風(fēng)機(jī)在工作中提高自動(dòng)控制水平的同時(shí)，保證之前的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，成為首要解決的問題。針對(duì)壓風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)，國內(nèi)外的相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)存在誤動(dòng)作頻發(fā)、故障發(fā)生次數(shù)多等缺陷，通過以TMS320-C3 微控制器為核心，模塊化思想用在控制系統(tǒng)中，解決了之前所面臨的問題[1]。另外，以PLC 單片機(jī)為核心處理器，這種方法在控制系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)采集精度的精準(zhǔn)性、工作穩(wěn)定性高且該方案的成本較低；然而弊端就是在工作的過程中出現(xiàn)故障的頻率較高，開發(fā)周期長。西方國家主要在SmartAir Master 智能控制器、eConnectTM 管理系統(tǒng)、自適應(yīng)壓風(fēng)機(jī)管理器“SAM”方面進(jìn)行研究，在壓風(fēng)機(jī)的智能化、按需控制、自動(dòng)適應(yīng)方面取得了有效的成果。基于PLC 控制技術(shù)和傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)壓風(fēng)機(jī)在監(jiān)測方面以及遠(yuǎn)程控制方面較大的提升。

1 系統(tǒng)組成

壓風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，其原理是通過上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)向太通信環(huán)網(wǎng)發(fā)出信號(hào)，并且接受控制系統(tǒng)發(fā)送的相關(guān)數(shù)據(jù)。井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)和交換機(jī)構(gòu)成實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性可靠、進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸效率高、擁塞率低，能夠很好地匹配壓風(fēng)機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸和接受相關(guān)指令。設(shè)計(jì)四組壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，通過2 個(gè)攝像頭和控制柜1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)來進(jìn)行控制，其中每個(gè)控制柜都有執(zhí)行和監(jiān)測模塊。執(zhí)行模塊的作用是負(fù)責(zé)空壓機(jī)的開關(guān)機(jī)、加減速等基本操作；監(jiān)測模塊的作用是對(duì)空壓機(jī)系統(tǒng)在振動(dòng)、溫度和壓力等方面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)上位機(jī)主要是在King SCADA 平臺(tái)來進(jìn)行作業(yè)的，通過該平臺(tái)來進(jìn)行界面設(shè)計(jì)、接受數(shù)據(jù)以及傳輸指令[2]；下位機(jī)是基于PLC 控制器，在接收上位機(jī)的指令的基礎(chǔ)上，同時(shí)接收其他傳感器的數(shù)據(jù)在邏輯控制上運(yùn)用；通過上位機(jī)和下位機(jī)的相互配合，從而實(shí)現(xiàn)壓風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程控制功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

煤礦壓風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要是基于PLC 控制器，通過擴(kuò)展模塊的思想來進(jìn)行的。分析壓風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)模擬量、輸入和輸出開關(guān)量，最終確定以西門子57-300 系列PLC 及其擴(kuò)展模塊，能夠有效地解決了遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中的時(shí)效性差等問題。壓力傳感器主要作用是實(shí)時(shí)監(jiān)測冷卻水管壓力、母管壓力和潤滑油的壓力。需保證傳感器能夠及時(shí)有效地監(jiān)測出的壓力值，這樣能夠有效提高壓風(fēng)機(jī)的工作穩(wěn)定性、安全可靠性。通常，BYDl1.6 型礦用隔爆壓力傳感器作為常用的壓力傳感器，其工作電壓為DC24 V，最大工作壓力為2.5 MPa，能夠滿足風(fēng)壓機(jī)控制系統(tǒng)所要求的環(huán)境。振動(dòng)傳感器主要負(fù)責(zé)在工作過程中電動(dòng)機(jī)振動(dòng)以及運(yùn)行狀況的監(jiān)測，從而避免電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障、使得電機(jī)能夠在正常狀態(tài)下運(yùn)行。選用的XZD-YB一體化防爆振動(dòng)變送器能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)機(jī)機(jī)殼振動(dòng)的監(jiān)測、電動(dòng)機(jī)軸系振動(dòng)的監(jiān)測，并且也能夠在滾動(dòng)軸承問題、轉(zhuǎn)子問題等方面導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)發(fā)生異常振動(dòng)的監(jiān)測。該振動(dòng)傳感器能夠在煤礦井下的環(huán)境中正常運(yùn)行，其有效監(jiān)測的范圍是0～10 mm/s。溫度傳感器的作用是能夠?qū)﹄妱?dòng)機(jī)中潤滑油的溫度和冷卻液的溫度進(jìn)行一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測，選用的型號(hào)是FST600-205，采用標(biāo)準(zhǔn)的PT100 元件。該傳感器中內(nèi)部裝有自動(dòng)補(bǔ)償、抗電磁干擾以及抗射頻的電路，在工作過程中穩(wěn)定性較好、監(jiān)測精度高、收集數(shù)據(jù)靈活等優(yōu)勢(shì)。其溫度傳感器的工作電壓為DC24 V，最大量程為150 ℃，輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA 電流信號(hào)。選用的攝像頭是KBA153 型號(hào)，是煤礦井下專用的光纖攝像儀，能夠在井下瓦斯?jié)舛雀?、煤塵量大的環(huán)境中工作。并且該攝像儀在進(jìn)行視屏信號(hào)傳輸時(shí)通過光纖光纜，能夠有效地應(yīng)用在粉塵量大、潮濕的環(huán)境中。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC 程序設(shè)計(jì)

基于煤礦壓風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的PLC 程序，通過以梯形圖的形式在西門子57-300 PLC 控制器中采用。在該軟件程序控制設(shè)計(jì)中，給系統(tǒng)通電，進(jìn)行系統(tǒng)的初始化參數(shù)配置，將遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)所需要的變量、內(nèi)存進(jìn)行初始化，并且將電機(jī)和上位機(jī)參數(shù)進(jìn)行匹配。通過建立控制系統(tǒng)與上位機(jī)的TCP/IP 通信連接，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸以及指令傳送。TCP/IP 通信連接建立完成后，PLC 控制器將振動(dòng)傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并且進(jìn)行和標(biāo)準(zhǔn)值比較。在數(shù)據(jù)顯示正常的情況下，上位機(jī)能夠正常顯示，壓風(fēng)機(jī)通過接收指令進(jìn)行正常工作；如果對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)比較出現(xiàn)異常時(shí)，則開啟報(bào)警和故障子程序進(jìn)行故障排查。若能夠?qū)⒐收献詣?dòng)恢復(fù)，則將壓風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行正常工作；若不能夠解決故障，則停機(jī)進(jìn)入緊急狀態(tài)，避免出現(xiàn)事故[3]。

3.2 自動(dòng)控制平臺(tái)設(shè)計(jì)

基于King SCADA 軟件平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示以及將控制指令進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸。該煤礦壓風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程控制平臺(tái)界面主要有手動(dòng)狀態(tài)、數(shù)據(jù)查詢、用戶注銷、水泵控制、曲線查詢、視頻監(jiān)控、故障報(bào)警等，各個(gè)界面相互結(jié)合，共同完成對(duì)煤礦的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測功能。PLC 控制系統(tǒng)能夠?qū)Ω鱾€(gè)傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)獲取，經(jīng)TCP/IP 通信連接后上傳至上位。通過對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較確認(rèn)以后，才可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行正常顯示。自動(dòng)控制平臺(tái)將井下1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)壓風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示，且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制啟動(dòng)或者關(guān)閉壓風(fēng)機(jī)。

在自動(dòng)控制平臺(tái)的主界面中可以看到，1 號(hào)和4號(hào)壓風(fēng)機(jī)為“設(shè)備運(yùn)行”狀態(tài)，同時(shí)能夠在主界面中查看運(yùn)行電流、本次運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行次數(shù)、運(yùn)行電壓等。在查看“參數(shù)設(shè)置”“數(shù)據(jù)監(jiān)控”等選項(xiàng)時(shí)，可以點(diǎn)擊左側(cè)按鈕，就能夠進(jìn)入查看該選項(xiàng)的界面。

4 壓風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)功能

4.1 監(jiān)控功能

1）實(shí)際環(huán)境中，壓風(fēng)機(jī)工作過程的監(jiān)控，主要監(jiān)控管道流量、排氣壓力、管內(nèi)壓力、排氣溫度等數(shù)據(jù)。

2）其他受控設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測，主要監(jiān)測冷風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)、壓風(fēng)機(jī)的電氣參數(shù)，閥門開關(guān)狀態(tài)信息、冷卻系統(tǒng)冷卻水流量參數(shù)等。

4.2 曲線查詢功能

1）在工作周期內(nèi)，系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)曲線查詢，主要有各個(gè)設(shè)備的排氣壓力、流量、溫度的時(shí)間曲線，電動(dòng)機(jī)電流、電壓的曲線，以及故障信息曲線如圖1 所示。

圖1 壓風(fēng)機(jī)故障信息曲線圖

2）所有可查詢信息的打印。

4.3 控制功能

1）提供三種控制方式，即手動(dòng)控制、自動(dòng)控制和集控控制，適應(yīng)相關(guān)設(shè)備的獨(dú)立檢查和維修，自動(dòng)化要求和一鍵啟動(dòng)的需要，系統(tǒng)風(fēng)壓低時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)壓，系統(tǒng)風(fēng)壓高時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)停機(jī)降低風(fēng)壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無人進(jìn)行開守的狀態(tài)。

2）針對(duì)于多臺(tái)壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，通過對(duì)排氣溫度數(shù)據(jù)以及壓風(fēng)管路壓力數(shù)據(jù)的收集，按照控制邏輯原則實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整多臺(tái)壓風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)和停止。

4.4 報(bào)警功能

當(dāng)系統(tǒng)在工作時(shí)如監(jiān)測到參數(shù)和正常值有很大的差距，將參數(shù)傳輸?shù)娇刂乒馪LC，開啟報(bào)警程序。根據(jù)不同的故障信息，對(duì)應(yīng)的控制邏輯是有差別的，對(duì)于那些對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行不造成影響的故障，只是開啟聲光報(bào)警，并且將相應(yīng)的故障進(jìn)行記錄，通過故障顯示界面顯示出來。然而對(duì)于那些對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行造成影響的或者影響主功能實(shí)現(xiàn)的故障，通過啟動(dòng)停止系統(tǒng)的某些設(shè)備或者是停止整個(gè)系統(tǒng)，直到故障完全被排查解決以后，才能夠重新啟動(dòng)系統(tǒng)或者設(shè)備。

5 工業(yè)試驗(yàn)分析

在某煤礦中將設(shè)計(jì)的煤礦風(fēng)壓機(jī)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，基于遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，通過對(duì)1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)和4 號(hào)風(fēng)壓機(jī)的遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開機(jī)和關(guān)機(jī)的任務(wù)，并且在系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)監(jiān)測風(fēng)壓機(jī)電流、電壓以及工作狀態(tài)等重要的數(shù)據(jù)；同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)4 臺(tái)分壓機(jī)的相互切換。在對(duì)風(fēng)壓機(jī)進(jìn)行半年的試驗(yàn)以后，可以得出在遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)下，風(fēng)壓機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，且系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。