太平煤礦KJ90-ZF煤礦主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)研究

王秀江 羅勝 董明 許華國(guó)

摘要：KJ90-ZF主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和傳感器技術(shù)對(duì)主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)運(yùn)行、實(shí)時(shí)報(bào)警、故障保護(hù)、統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)正常一鍵啟停、一鍵倒機(jī)等功能。確保了操作的安全性、可靠性，同時(shí)最大程度減少系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間，保障礦井的正常生產(chǎn)。有力地保障主通風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)、可靠、安全的運(yùn)行，在安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上提高礦井的自動(dòng)化水平和運(yùn)營(yíng)管理水平。

關(guān)鍵詞：主通風(fēng)機(jī) 監(jiān)控? 一鍵啟動(dòng)? 一鍵倒機(jī)

一、概述：

近幾年來(lái)，國(guó)家及行業(yè)管理部門(mén)陸續(xù)出臺(tái)一系列政策性文件引導(dǎo)和推動(dòng)煤礦企業(yè)加強(qiáng)機(jī)械化、自動(dòng)化、信息化、智能化建設(shè)。煤炭行業(yè)的新建礦井、重組改造礦井及生產(chǎn)礦井，都在不同程度的提升煤礦自動(dòng)化與信息化水平，以期建設(shè)成為集約、安全、高效、綠色型礦井，實(shí)現(xiàn)減員提效、保障生產(chǎn)安全。

KJ90-ZF主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和傳感器技術(shù)對(duì)主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和優(yōu)化控制，具有遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)運(yùn)行、實(shí)時(shí)報(bào)警、故障保護(hù)、統(tǒng)計(jì)分析等功能。利用通風(fēng)控制技術(shù)，對(duì)主通風(fēng)機(jī)進(jìn)行智能控制，可以改變主通風(fēng)運(yùn)行電機(jī)的頻率，在支持變頻調(diào)節(jié)的情況下對(duì)主通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，有力地保障主通風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)、可靠、安全的運(yùn)行，在安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上提高礦井的自動(dòng)化水平和運(yùn)營(yíng)管理水平。

二、系統(tǒng)現(xiàn)狀

太平煤礦具有一個(gè)主通風(fēng)機(jī)站：主通風(fēng)機(jī)已完成變頻改造，對(duì)一些參數(shù)如電壓電流等進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，但沒(méi)有形成完善的監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)風(fēng)量、風(fēng)速、風(fēng)機(jī)振動(dòng)等參數(shù)沒(méi)監(jiān)測(cè);主通風(fēng)機(jī)站的設(shè)備詳細(xì)信息情況如下：

1）具有兩臺(tái)煤礦地面防爆壓入式對(duì)旋軸流主通風(fēng)機(jī)，采用變頻控制方式對(duì)每臺(tái)風(fēng)機(jī)的兩臺(tái)電機(jī)進(jìn)行變頻控制。

2）風(fēng)門(mén)為絞車(chē)垂直風(fēng)門(mén)，由風(fēng)門(mén)控制按鈕控制。

3）具有大型電力變頻器兩臺(tái)，用于控制兩臺(tái)主通風(fēng)機(jī)。

4）高壓開(kāi)關(guān)柜產(chǎn)品型號(hào)：KYN28A-12;電動(dòng)機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置產(chǎn)品型號(hào)：EDCS-8000系列。

整個(gè)通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的高壓供電部分以及低壓供電部分都采用的是雙回路的供電方式，通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)采用變頻器控制，主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)采用冗余控制，由兩臺(tái)PLC同時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

三、太平煤礦KJ90-ZF煤礦主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造

1、傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

太平煤礦已經(jīng)建立了工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)平臺(tái)，主通風(fēng)機(jī)站安裝有環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，本次建設(shè)以現(xiàn)有工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)平臺(tái)為傳輸媒介，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備就近接入環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，通過(guò)TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心與現(xiàn)場(chǎng)控制的數(shù)據(jù)交互。

2、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備配置

1）調(diào)度室的配置與功能：

調(diào)度中心內(nèi)配置兩臺(tái)工控機(jī)作為上位機(jī)，一臺(tái)惠普打印機(jī)，一臺(tái)山特2KVA/2小時(shí)規(guī)格UPS（按照每臺(tái)計(jì)算機(jī)功率750W，打印機(jī)功率100W計(jì)算），一臺(tái)上位機(jī)作為遠(yuǎn)程主操作員站，另外一臺(tái)作為備用操作員站。組態(tài)軟件采用西門(mén)子WINCC軟件。具備系統(tǒng)管理、圖形顯示、報(bào)警功能、數(shù)據(jù)管理功能、控制功能、數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)功能等。

2）PLC控制柜的配置與功能：

（1）PLC控制柜內(nèi)提供兩種控制系統(tǒng)供選擇即：硬件冗余控制系統(tǒng)和軟件冗余控制系統(tǒng)。

硬件冗余控制系統(tǒng)通過(guò)專用硬件冗余模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)冗余，專用光纖作為冗余連接介質(zhì)，冗余功能不需要編程通過(guò)硬件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，不需要占用CPU資源，組態(tài)配置極簡(jiǎn)單，可以做到無(wú)擾切換并且整個(gè)切換過(guò)程不花時(shí)間。經(jīng)評(píng)估后采用硬冗余系統(tǒng)進(jìn)行控制。

（2）具體功能介紹：

[1]通風(fēng)機(jī)的控制采用冗余的控制系統(tǒng)，在PLC控制柜里面設(shè)立兩組CPU，以一主一備的形式存在，主、備系統(tǒng)共同運(yùn)行，但只有主系統(tǒng)承擔(dān)真正的控制功能，主備系統(tǒng)通過(guò)同步機(jī)制保持運(yùn)行的同步性，一旦主系統(tǒng)發(fā)生故障，從系統(tǒng)自動(dòng)接替控制任務(wù)成為新的主系統(tǒng)，整個(gè)切換過(guò)程自動(dòng)進(jìn)行，生產(chǎn)過(guò)程不中斷。

[2]PLC柜提供觸摸屏，提供監(jiān)測(cè)參數(shù)的圖形顯示，以及控制操作按鈕。選擇風(fēng)機(jī)的控制工作方式選擇，分別是遠(yuǎn)控、現(xiàn)場(chǎng)集中控制和就地控制方式?，F(xiàn)場(chǎng)操作員可以進(jìn)行通風(fēng)機(jī)的集中控制如：正常啟停，運(yùn)行風(fēng)機(jī)切換等操作。

[3]控制功能。系統(tǒng)提供通風(fēng)機(jī)的正常啟/停、倒臺(tái)、反風(fēng)控制功能。對(duì)變頻器控制系統(tǒng)，PLC監(jiān)控柜提供RS485接口、模擬量I/O，配合變頻器的接口，實(shí)現(xiàn)控制功能。

3、高低壓開(kāi)關(guān)柜部分的檢測(cè)與控制

采用PLC輸出觸點(diǎn)直接控制高壓開(kāi)關(guān)柜的分合閘并采集合閘信號(hào)的方式實(shí)現(xiàn)高壓開(kāi)關(guān)柜的分合閘控制，利用專用485通信模塊采集現(xiàn)場(chǎng)所有高壓開(kāi)關(guān)柜的相關(guān)電量參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)的方式實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)高壓開(kāi)關(guān)柜的監(jiān)測(cè)與控制連鎖。低壓開(kāi)關(guān)部分直接利用PLC的輸出觸點(diǎn)控制1#號(hào)、2#號(hào)低壓柜里面的電動(dòng)合閘機(jī)構(gòu)，以及柜體之間的聯(lián)絡(luò)合閘機(jī)構(gòu)，并檢測(cè)合閘機(jī)構(gòu)的分合閘信號(hào)，對(duì)于低壓的輸出檢測(cè)采用在低壓輸出側(cè)安裝電量傳感器與繼電器相結(jié)合的方式檢測(cè)低壓側(cè)的輸出，與電量模塊的通訊運(yùn)用指定的485通信模塊。低壓柜選用ATS型低壓開(kāi)關(guān)柜兩臺(tái)，含RDQH-400M/4PT 400AR型雙電源開(kāi)關(guān)，兩路電源互為備用，自投自復(fù)，手自動(dòng)可選擇。

4、變頻器的檢測(cè)與控制

1）該部分主要需要控制的主要包括兩臺(tái)變頻器（北京合康新能變頻科技股份有限公司）其中：

1號(hào)變頻器B1（控制1#主通風(fēng)機(jī)兩級(jí)電機(jī)）

2號(hào)變頻器B2（控制2#主通風(fēng)機(jī)兩級(jí)電機(jī)）

現(xiàn)場(chǎng)1#主通風(fēng)機(jī)的一級(jí)、二級(jí)電機(jī)均接在1#變頻器B1的輸出端，2#主通風(fēng)機(jī)的一級(jí)、二級(jí)電機(jī)均接在2#變頻器B2的輸出端。保證了兩極電機(jī)輸出頻率一定，同時(shí)變頻器具備通過(guò)設(shè)置給定頻率來(lái)調(diào)節(jié)礦井供風(fēng)量大小的功能。

控制方式：

利用PLC直接通過(guò)輸出觸點(diǎn)控制變頻器的啟動(dòng)、停止、運(yùn)行信號(hào)采集，采用PLC與變頻器控制柜建立MODBUS通信的方式來(lái)給定頻率、故障讀取和相關(guān)參數(shù)的采集。（由礦方協(xié)調(diào)變頻器廠家免費(fèi)提供MODBUS通訊接口和協(xié)議）

5、風(fēng)門(mén)的檢測(cè)與控制

1）該部分主要需要控制的是兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的絞車(chē)風(fēng)門(mén)：

現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)門(mén)運(yùn)行信號(hào)通過(guò)風(fēng)門(mén)控制柜和現(xiàn)場(chǎng)接線腔接入系統(tǒng)。增加傾角傳感器。

2）控制方式：

PLC通過(guò)風(fēng)門(mén)控制柜直接控制兩臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)絞車(chē)控制的開(kāi)、關(guān)、停止，同時(shí)檢測(cè)風(fēng)門(mén)的開(kāi)關(guān)到位信號(hào)。

6、通風(fēng)機(jī)電機(jī)溫度的檢測(cè)

每臺(tái)風(fēng)機(jī)設(shè)置1臺(tái)溫度巡檢儀，用于采集通風(fēng)機(jī)電機(jī)前后軸溫度、定子繞組溫度。當(dāng)軸溫、繞組溫度等某路監(jiān)測(cè)溫度超過(guò)給定值時(shí)，報(bào)警繼電器動(dòng)作，給出報(bào)警信號(hào)。

7、通風(fēng)機(jī)震動(dòng)量的檢測(cè)

每臺(tái)通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)2臺(tái)振動(dòng)傳感器，對(duì)水平和豎直方向的震動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。將震動(dòng)傳感器輸出參數(shù)與通風(fēng)機(jī)入口壓力參數(shù)相配合，作為喘振的判斷依據(jù)可以有效及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

8、通風(fēng)機(jī)風(fēng)量以及壓力的檢測(cè)：

采用靜壓差法測(cè)量通風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓、風(fēng)速等參數(shù)。每臺(tái)通風(fēng)機(jī)上安裝取壓裝置，配合壓力傳感器，監(jiān)測(cè)通風(fēng)機(jī)靜壓，同時(shí)根據(jù)不同截面上的壓力差計(jì)算通風(fēng)機(jī)的風(fēng)速、風(fēng)量、全壓等工況參數(shù)。

9、系統(tǒng)控制功能（一鍵啟停、一鍵倒機(jī)）

PLC軟件程序采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，主要分為過(guò)程及狀態(tài)掃描子程序、模擬傳感器采集子程序、數(shù)字量采集子程序、變頻器485通訊子程序、溫度巡檢儀及電力參數(shù)采集網(wǎng)關(guān)通訊子程序、風(fēng)機(jī)啟停子程序、一鍵倒機(jī)子程序等。首先系統(tǒng)初始化，然后進(jìn)行中斷查詢，在沒(méi)有中斷的情況下執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字量信號(hào)、模擬量信號(hào)、485通訊信號(hào)、以太網(wǎng)通訊信號(hào)的采集，將采集到的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)放入程序預(yù)先開(kāi)發(fā)好的專家分析模塊進(jìn)行分析比對(duì)，以方便系統(tǒng)及時(shí)做出異常報(bào)警判斷和未知風(fēng)險(xiǎn)判斷。在有中斷的情況下程序?qū)⑻峁╋L(fēng)機(jī)正常一鍵啟停、一鍵倒機(jī)等操作。系統(tǒng)可以最大程序確保操作的安全性、可靠性，同時(shí)最大程度減少系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間，保障礦井的正常生產(chǎn)。具體程序總體流程如圖所示：

注意：該圖中一鍵倒機(jī)流程為主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)倒到備用通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。倒機(jī)流程控制設(shè)備包括高壓開(kāi)關(guān)、低壓開(kāi)關(guān)、變頻器、風(fēng)門(mén)等關(guān)鍵設(shè)備。（此處有疑問(wèn)可以探討，后面可以根據(jù)礦方實(shí)際情況需要調(diào)整）。

10、視頻監(jiān)控系統(tǒng)部分

利用攀煤公司視頻升級(jí)改造項(xiàng)目改造后的視頻系統(tǒng)。

11、通風(fēng)機(jī)自動(dòng)倒機(jī)方案及時(shí)間計(jì)算

高低壓供電正常的情況下，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)自動(dòng)倒機(jī)過(guò)程如下：

第一步：系統(tǒng)檢測(cè)高低壓供電是否正常，如果有故障則發(fā)出報(bào)警，。

第二步：系統(tǒng)檢測(cè)到高低壓供電正常以后停止運(yùn)行中的主通風(fēng)機(jī)變頻器，此時(shí)變頻器的頻率50HZ左右。

第三步：系統(tǒng)檢測(cè)到主通風(fēng)機(jī)變頻器輸出頻率降至10HZ以下時(shí)，同時(shí)關(guān)閉主通風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)打開(kāi)備用通風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)。

第四步：系統(tǒng)檢測(cè)到主通風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)關(guān)到位、備用通風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)打到位以后直接啟動(dòng)備用通風(fēng)機(jī)變頻器，待變頻器頻率由0HZ正常運(yùn)行至50HZ左右時(shí)整個(gè)倒機(jī)過(guò)程完成。

倒機(jī)過(guò)程中發(fā)生任何故障，系統(tǒng)都會(huì)及時(shí)預(yù)警。

倒機(jī)時(shí)間T的計(jì)算：

T=Td+Tm+Tc = 90s+60s+90s= 240s

四、結(jié)論

太平煤礦主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)技術(shù)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程對(duì)所有高低壓開(kāi)關(guān)的分、合閘控制，以及高效完成高、低壓雙回路供電的回路切換等功能，保證了回路切換的可靠性。系統(tǒng)完善了空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)、供電電參數(shù)監(jiān)測(cè);具備了完善的主通風(fēng)機(jī)正常狀態(tài)下的開(kāi)、?？刂?，定期輪換（倒機(jī)）及反風(fēng)控制功能，“遠(yuǎn)程控制”、“集中控制”、“就地控制”多種控制方式，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)正常一鍵啟停、一鍵倒機(jī)功能。極大地改善了礦井通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性、可靠性。