自動化控制系統在礦井通風機中的設計應用

摘 要：礦井通風機是煤礦生產的關鍵性設備，其可靠性和安全性直接關系到礦井生產的正常化及井下作業人員的人身安全。目前根據建設綜合自動化礦井和降低能耗的要求，需要建設高效節能、安全先進的綜合自動化控制系統。文章主要對孫疃煤礦北風井通風機自動化監控系統進行祥細介紹。

關鍵詞：通風機；PLC；在線監測；不停風自動倒機

引言

隨著中國煤炭行業的不斷發展，國家對安全生產的力度加大，因此對礦井綜合自動化水平提出了較高要求。孫疃煤礦為瓦斯突出礦井，易引起瓦斯超限、爆炸等危險，嚴重影響礦井的安全生產，針對此情況孫疃煤礦北風井通風機采用綜合自動化監控系統。

1 通風機系統概況

孫疃煤礦北風井通風機系統是由兩臺礦用GAF31.5-19-1停車一次動葉可調軸流式通風機（互為備用）組成。每臺通風機分別由各自10kV 1600kW的YKK系列三相異步電機驅動，通風機的正風和反風分別由電機的正轉和反轉來完成。正常情況下只使用主通風機，當主通風機出現故障時可不停風自動切換到備用通風機。其高壓兩路電源由孫疃煤礦北風井場地35kV變電所10kV不同母線段直接供電，并采用電抗器降壓起動。這種通風機和電源的兩套配置以及電抗器起動旁路接觸器運行的切換，在很大程度上增強了通風機起動、運行的連貫性和安全性，從而提高了生產效率。

2 通風機自動控制系統的設計

通風機的控制系統采用上位監控管理和現場總線控制兩級控制方式。上位監控管理主要是對風機的運行參數、測點圖、供電系統圖、工藝參數表、電氣參數、設備運行狀態以及報警參數表進行顯示，并實現對各設備的控制。現場總線控制采用PLC控制系統，對所有設備的各項參數、狀態進行采集，并通過內部編程對其實現自動、手動控制。該系統中上位操作站選用工業控制計算機2套，配備22寸寬屏液晶顯示器，相應的控制軟件，以及打印機、3kVA/2h在線式UPS各一臺；控制系統采用PLC控制，一套PLC對應一臺通風機，形成雙機熱備，系統硬件采用模塊化結構設計，且系統中模塊均采用熱插拔方式，用戶可以在不停機的狀態下對系統中的組件進行更換。同時該系統留有與礦井監控統連接的以太網接口，通過對通風機及配套設備的集中控制和監測，實現對通風機正風、反風、雙機、單機、主輔風機倒換等的一鍵操作和通風機房的無人值守功能。系統配置如下圖所示：

通風機自動控制系統可采集通風系統中各項設備（包括風機、風門、液壓站、潤滑油站、高壓柜等）的運行參數、電氣參數，并可實現通風機及其輔機的聯鎖控制。該系統的監測參數包括通風機風量、負壓、風速、風壓、風葉角度等運行參數；風門及制動器的狀態；風機及電機中的電機繞組溫度、電機軸承溫度及風機軸承箱溫度等；檢測風機和電機軸承的振幅和振速；通風機房風道中風速、溫度、壓力、瓦斯、一氧化碳等參數；液壓站和潤滑油站的油壓和溫度；以及風機高壓進線回路電流、電壓、功率因數、電度，高壓電機回路電流、電壓、有功功率、無功功率等參數的檢測。當監測參數超過允許值時，能夠根據超過允許值的大小發出報警信號或實現故障停機、風機切換。所有監測項目和故障信號可在通風機房控制室顯示和打印，并可上傳礦井安全生產監控系統。

孫疃煤礦北風井選用MZX-1不停風倒機風門系統，該系統由立式掛網風門、對空測試風門、備用檢修風門組成。該系統工作時在主通風機不停機的情況下先起動備用風機。即當備用風機副風門起動并達到額定運行狀態時，開啟備用風機的主風門以及主風機的副風門；當主風機與備用風機的主、副風門開度達到一定條件時，關閉備用風機的副風門以及主風機的主、副風門，停止主風機，實現不停機起動備用風機。在主通風機的切換過程中，監控系統對通風機風門、電機裝置狀態、附屬設備、井下風量、風壓等進行在線監測，并將當前值送PLC進行PID運算后發出控制指令，以便實時控制主風機與備用風機主、副風門的開度，通過主、副風門的聯動配合，實現主風機和備用風機之間的有序、平穩切換。另外通過操作時限控制，顯示倒機切換的信息，當備用風機起動和風門動作時間超限而PLC沒有接到反饋信號時，開始報警，從而使得煤礦生產的安全隱患大大減小以及井下作業人員的人身安全得到保障。通風機自動監控系統按預先編制好的程序，對通風機正常切換和故障快速切換進行控制和操作指導。系統對風機運行的風量、負壓以及功率進行分析和測試，同時自動建立數據庫，繪出通風機運行工況曲線和效率曲線。當通風機發生故障時，利用運行記錄的曲線對故障進行分析和判斷，自動對風機的電氣故障、機械故障和性能故障的三類故障進行分類，針對致命性故障和非致命性故障給出處理的專家，預先報警，直至作出相應的控制，確保風機運行更加安全可靠。良好的監控界面是控制、監視和管理整個監控系統的核心。在通風機房控制室通過監控主界面不僅可以進行不停風倒機及相關設備的操作，而且還能動態反映風機重要運行階段的工作狀態。通過對監控主界面的操作，可進入運行參數設置、運行數據查詢、報表和趨勢圖、故障查詢等子界面，以便全面掌握通風機的自動切換及運行工況等信息，從而提高工作效率以及生產的安全性。

通風機監控系統的工作方式有集中自動、集中手動和就地檢修三種。在集中自動方式下通風機正常運行時，系統按照預先編制的程序自動進行起動、倒機、反風、停機等控制；集中手動方式啟動程序在上位機上按起動流程由控制室通過鼠標或鍵盤進行逐個控制。即正常情況下使用遠方一鍵控制或在電腦上手動實現風機的啟停和切換，使井下風量、風壓在對風機操作過程中保持平穩過渡，實現井下不停風。當PLC或系統產生故障，不能進行自動和手動控制時監控系統會自動執行應急預案程序，采用就地檢修方式。即通過置于風機及附屬設備附近的就地按鈕箱可直接在就地控制液壓站、潤滑站、風門、高壓柜、葉片、風門等設備的啟停并顯示各開關、開關量、模擬量的運行狀態指示，并保證井下始終不停風。就地和遠控操作方式之間存在閉鎖。

3 結束語

孫疃煤礦北風井通風機通過采用自動化監控系統，實現了礦井大型設備的在線監測、控制和管理，使得礦井生產的安全性、可靠性及智能化大大提高。不僅能實時監測通風機的負壓、風量、全（靜）壓、全（靜）壓效率、軸功率、氣體溫度等氣動參數，將監測數據存儲到數據庫中，以數據和趨勢圖等多種方式顯示監測結果，完成性能測試；而且還能保證風機自動切換過程中供給風量、風壓的穩定，實時、準確地記錄倒機切換過程各個設備的運行情況。系統接入礦井工業以太網，通過OPC技術解決了不同控制系統之間信息共享與交互的問題，實現通風機房的無人值守和遠方監測監控，提高了礦井生產的安全性、生產效率以及現代化管理水平，具有良好的社會經濟效益。