礦井通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)智能化改造研究

張建偉

（攀鋼朱蘭鐵礦，四川攀枝花 617000）

0 引言

礦山地采通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是井下生產(chǎn)的重要保證，攀鋼礦業(yè)公司朱蘭鐵礦尖山地采的總回風(fēng)機(jī)組，作為與井下風(fēng)流換氣的設(shè)備，用于交換新鮮空氣、稀釋并抽出有毒、有害氣體和粉塵，對(duì)保障井下人員健康與安全意義重大。2009 年尖山露天轉(zhuǎn)地采的掛幫礦生產(chǎn)設(shè)計(jì)中，風(fēng)機(jī)房主風(fēng)機(jī)供電采用的是10 kV單母線(xiàn)供電，風(fēng)機(jī)由崗位人員用傳統(tǒng)的操作方式在機(jī)房單獨(dú)控制，職工的工作量大、與現(xiàn)今井下礦山智能化、信息化管理的要求不相適應(yīng)。因此，在尖山“六大系統(tǒng)”建設(shè)中，對(duì)供電進(jìn)行規(guī)范設(shè)計(jì)，并利用PLC、變頻調(diào)速及工業(yè)組態(tài)技術(shù)，對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化改造，增加井下排水、壓氣界面集成，提升安全監(jiān)測(cè)管理水平，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 改進(jìn)方案

1.1 目標(biāo)的確定

鑒于初期生產(chǎn)、基建條件等因素的制約，在原有供電的基礎(chǔ)上，主風(fēng)機(jī)供電改由地表35/10 kV 系統(tǒng)雙電源J13/J14 供電，主變?nèi)萘繛?×8000 kV·A（圖1）。控制系統(tǒng)將各級(jí)風(fēng)機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，組建以太網(wǎng)在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)，可以隨時(shí)監(jiān)視、調(diào)取運(yùn)行狀態(tài)及工藝參數(shù)。

圖1 礦井供電系統(tǒng)

（1）保留原通風(fēng)機(jī)K40-6-NO.22 機(jī)械型號(hào)不變，將總回風(fēng)豎井坑口3 臺(tái)250 kW 變頻電機(jī)作為主要回風(fēng)裝置，通過(guò)自動(dòng)/手動(dòng)/工頻按鍵切換風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)。

（2）采用遠(yuǎn)程通信的PLC 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，進(jìn)行與上位機(jī)工控機(jī)軟件的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)中央控制室的集中監(jiān)控和遠(yuǎn)程啟動(dòng)，以及迅速反風(fēng)要求、遙測(cè)和監(jiān)控的功能，以降低故障倒機(jī)停風(fēng)時(shí)間，確保風(fēng)機(jī)的安全、可靠運(yùn)行，為調(diào)度中心實(shí)時(shí)關(guān)注通風(fēng)狀況創(chuàng)造條件。

（3）預(yù)留擴(kuò)展端口，滿(mǎn)足多界面切換，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守運(yùn)行。在控制室的控制屏（臺(tái)）上設(shè)主PLC 及工業(yè)圖形顯示器，另設(shè)4個(gè)PLC 子站，在子站中采用遠(yuǎn)程模塊，PLC 子站與主站之間用光纖構(gòu)成通信。在主站的顯示器上可對(duì)各風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，在顯示器上還可顯示各風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息。

（4）系統(tǒng)具有報(bào)警功能，當(dāng)檢測(cè)參數(shù)超過(guò)設(shè)定值或數(shù)據(jù)異常，將及時(shí)報(bào)警并發(fā)出聲光信號(hào)。同時(shí)，報(bào)警信息自動(dòng)保存生成報(bào)表記錄，便于事后的分析、匯總。

1.2 可行性分析

1.2.1 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)

伴隨PLC 通信及網(wǎng)絡(luò)功能的日益成熟，Ethernet+TCP/IP+Web 用于自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)通信，即工業(yè)自動(dòng)化PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的第一級(jí)（基礎(chǔ)自動(dòng)化），是實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制和全集成自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)。主要特點(diǎn)如下：

（1）10 Mbps 以上的快速通信速率和可靠的通信質(zhì)量（通信速率取決于傳輸介質(zhì)和通信距離）。

（2）適用于大范圍數(shù)字通信，安全及可靠性高。

（3）節(jié)省布線(xiàn)，通信線(xiàn)纜與現(xiàn)場(chǎng)連接，可以實(shí)現(xiàn)一體化傳送信息。

（4）底層設(shè)備與工業(yè)環(huán)境信息交換，具有良好的可擴(kuò)展性。

地采通風(fēng)系統(tǒng)采用以太網(wǎng)絡(luò)，為智能化改造提供了可行性系統(tǒng)連入基礎(chǔ)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)后，很容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制（圖2）。

圖2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

1.2.2 接線(xiàn)原理的改進(jìn)

主風(fēng)機(jī)高壓供電系統(tǒng)由J13/J14 兩路10 kV 進(jìn)線(xiàn)互為備用，設(shè)計(jì)機(jī)械/電氣防誤操作聯(lián)鎖裝置，同時(shí)2 臺(tái)變壓器低壓側(cè)增加雙電源切換柜1 臺(tái)，確保供電安全，通風(fēng)變電所一次系統(tǒng)如圖3 所示?？刂葡到y(tǒng)在保留原西門(mén)子MM430 變頻器控制柜主接線(xiàn)不變的情況下，通過(guò)中間繼電器擴(kuò)展線(xiàn)路接點(diǎn)，與PLC 的I/O點(diǎn)進(jìn)行連線(xiàn)。將KA1～KA12 的12 個(gè)中間繼電器集成在一塊控制板上，安裝在原柜體左側(cè)，其中KA1～KA8 線(xiàn)圈電壓為AC 220 V，功能依次為本地正轉(zhuǎn)、本地反饋、集中選擇、變頻器電源、遠(yuǎn)程正轉(zhuǎn)運(yùn)行、遠(yuǎn)程反轉(zhuǎn)運(yùn)行、運(yùn)行信號(hào)、故障信號(hào)；KA9～KA12 線(xiàn)圈電壓為DC 24 V，功能依次為正轉(zhuǎn)輸出、反轉(zhuǎn)輸出、停止輸出、復(fù)位控制。變頻器接線(xiàn)原理如圖4 所示。

圖3 通風(fēng)變電所一次系統(tǒng)

2 軟硬件設(shè)計(jì)及參數(shù)調(diào)試

2.1 硬件選型

尖山地采礦井總風(fēng)壓為879.60 Pa，額定裝機(jī)總功率750+48.5 kW，其中主扇總功率750 kW，輔扇總功率48.5 kW。控制系統(tǒng)的PLC 選用西門(mén)子S7-1500 系列CPU 1516-3 PN/DP，遠(yuǎn)程模塊是ET 200SP。具體選擇的硬件型號(hào)見(jiàn)表1。

表1 主要硬件型號(hào)

2.2 軟件編程

PLC 編程采用TIA Portal STEP7 V15 編程軟件環(huán)境，監(jiān)控畫(huà)面采用WINCC V7.4 RC2048 軟件。PLC 程序主要實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的手動(dòng)、自動(dòng)和工頻工作3 個(gè)控制功能，通過(guò)本地/遠(yuǎn)程進(jìn)行操作。PLC 程序的編寫(xiě)要求盡量符合風(fēng)機(jī)控制性能，力求簡(jiǎn)單方便，保證通風(fēng)系統(tǒng)安全，方便后期維護(hù)、使用。

2.3 PLC 程序調(diào)試

PLC 程序編寫(xiě)完成后，使用仿真軟件脫機(jī)模擬，通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的觀(guān)察和判斷，確定達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝需要。模擬正常后進(jìn)行聯(lián)機(jī)，將程序下載進(jìn)S7-1500 CPU，斷開(kāi)電機(jī)主電源，先選擇就地方式，在總回風(fēng)機(jī)房控制室按操作步驟分別啟動(dòng)/停止各風(fēng)機(jī)，觀(guān)察繼電器動(dòng)作和指示燈顯示是否正確，再選擇遠(yuǎn)程方式，在中央操作室控制計(jì)算機(jī)上啟動(dòng)/停止各風(fēng)機(jī)，在屏幕上觀(guān)察顯示是否正確。全部正確后，調(diào)試交流電機(jī)的控制變頻器。

2.4 變頻器參數(shù)設(shè)置

變頻器設(shè)置時(shí)，需要結(jié)合電機(jī)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，快速優(yōu)化變頻器參數(shù)（表2），然后根據(jù)風(fēng)機(jī)類(lèi)負(fù)載特點(diǎn)，具體進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。變頻器在復(fù)位時(shí)，設(shè)置P0010=30，P0970=1，按面板P鍵，變頻器恢復(fù)缺省值。需要注意的是如果要在BOP 面板/端子之間進(jìn)行切換，除了需修改P0700 和P1000 外，還要對(duì)P0810 和P0811的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

表2 電機(jī)參數(shù)設(shè)置

2.5 聯(lián)動(dòng)試車(chē)

先手動(dòng)操作運(yùn)行/停止，結(jié)合風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及負(fù)荷，通過(guò)對(duì)斜坡時(shí)間P1120 和P1121進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，將加/減速時(shí)間設(shè)定在合理的范圍，確保電機(jī)轉(zhuǎn)速變化，隨變頻器頻率調(diào)節(jié)同步。當(dāng)啟動(dòng)有過(guò)流時(shí)，加速時(shí)間可設(shè)置大一些；如果制動(dòng)時(shí)遇到過(guò)流，則需要把減速時(shí)間加長(zhǎng)，并觀(guān)察是否報(bào)故障，若出現(xiàn)故障保護(hù)還要加大最大電流值，以減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊。正常后可與整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)通過(guò)遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)試車(chē)。并對(duì)電機(jī)電壓、電流、溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)做好記錄，正常運(yùn)行8 h 后，結(jié)束試車(chē)。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性要求的不斷提高以及運(yùn)維人力的逐年減少，按照人工值守方式，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)值守、雙崗作業(yè)的要求。2020 年以來(lái)，通過(guò)雙電源設(shè)計(jì)，供電更加穩(wěn)定可靠，主風(fēng)機(jī)運(yùn)用PLC 和在線(xiàn)監(jiān)控技術(shù)，改造后能夠?qū)崿F(xiàn)中央控制室的集中監(jiān)控和遠(yuǎn)程啟動(dòng)，為風(fēng)機(jī)、水泵的無(wú)人值守運(yùn)行創(chuàng)造了條件，按“精益+智能”模式，有效降低了運(yùn)行管理成本，提高了工作效率。24 h 不間斷的數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控，能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障異常告警，達(dá)到了改造目標(biāo)的要求。