PLC 和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在礦山風(fēng)機(jī)站集控系統(tǒng)中的應(yīng)用

張東永，孫 越，黃 艷

1金川集團(tuán)股份有限公司二礦區(qū) 甘肅金昌 737100

2金川集團(tuán)股份有限公司銅業(yè)公司 甘肅金昌 737100

二礦區(qū)是大型下向膠結(jié)充填法機(jī)械化開采礦山，出礦量已突破 430 萬 t，礦井通風(fēng)系統(tǒng)采用多級(jí)機(jī)站進(jìn)風(fēng)、地表主扇集中回風(fēng)的多機(jī)站壓抽混合式通風(fēng)。二礦區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)呈對(duì)角式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)有 7 個(gè)進(jìn)風(fēng)區(qū)和 2 個(gè)回風(fēng)區(qū)。通風(fēng)區(qū)域涉及 5 條豎井，4 個(gè)中段，3 個(gè)副中段，3 個(gè)分段和 1 條主斜坡道。

目前二礦區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備包括 8 臺(tái) DK40 系列對(duì)旋風(fēng)機(jī)，3 套 K45 系列的空氣幕。由于各風(fēng)機(jī)站建設(shè)安裝時(shí)間跨度大，裝備系統(tǒng)技術(shù)水平層次不齊，自動(dòng)化和信息化程度整體較低。系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)沒有集中顯示，只能依靠各風(fēng)機(jī)站崗位人員定時(shí)現(xiàn)場(chǎng)巡檢獲得，勞動(dòng)生產(chǎn)率低；設(shè)備檢測(cè)手段不完善，系統(tǒng)風(fēng)壓、風(fēng)速、電動(dòng)機(jī)電流、電樞溫度和電動(dòng)機(jī)振動(dòng)等系統(tǒng)重要技術(shù)參數(shù)缺失；沒有建立系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)和故障診斷系統(tǒng)，維修不便；沒有安裝變頻器實(shí)現(xiàn)集控，無法在 10 min 內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)反風(fēng)。為了消除系統(tǒng)存在的上述問題，提高系統(tǒng)的自動(dòng)化和信息化水平，適應(yīng)大型坑采礦山數(shù)字化建設(shè)的潮流，筆者采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、PLC 技術(shù)、變頻技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造，取得了顯著效果。

1 通風(fēng)系統(tǒng)

二礦區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)共有 11 臺(tái)主要通風(fēng)機(jī)組，其中8 臺(tái)為 DK40 系列對(duì)旋通風(fēng)機(jī)，3 臺(tái)為 K45 系列的空氣幕。一級(jí)風(fēng)機(jī)站 5 個(gè)，布置在井下各主要通風(fēng)平巷內(nèi)，主要作用為分配風(fēng)量和增加通風(fēng)動(dòng)能；二級(jí)風(fēng)機(jī)站 3 個(gè)，起引導(dǎo)風(fēng)流和克服回風(fēng)側(cè)通風(fēng)阻力的作用；井下 3 組空氣幕，用于局部風(fēng)流和風(fēng)量調(diào)節(jié)，提高通風(fēng)效果。風(fēng)機(jī)安裝位置如圖 1 所示，各風(fēng)機(jī)參數(shù)如表1 所列。

由于是多中段下向膠結(jié)充填進(jìn)路式回采金屬礦山，生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，系統(tǒng)龐大，通風(fēng)系統(tǒng)服役年限長(zhǎng)，各風(fēng)機(jī)站安裝建設(shè)時(shí)間跨度大，裝備系統(tǒng)技術(shù)水平層次不齊，自動(dòng)化程度低，目前系統(tǒng)主要存在以下問題。

(1)除 850 m 東、西風(fēng)機(jī)站外，其余風(fēng)機(jī)站控制系統(tǒng)均采用傳統(tǒng)的繼電器和接觸器控制方式。這種控制方式落后，設(shè)備檢測(cè)手段不完善、故障檢測(cè)不及時(shí)，可靠性差，維護(hù)量大，對(duì)各風(fēng)機(jī)和主要表征參數(shù)無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制和監(jiān)視；系統(tǒng)故障時(shí)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，維修人員必須到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行故障判斷，耗時(shí)長(zhǎng)，生產(chǎn)影響大。

表1 風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)參數(shù)Tab.1 Parameters of ventilators in each ventilator station

(2)由于系統(tǒng)沒有實(shí)現(xiàn)集控，所有設(shè)備均在現(xiàn)場(chǎng)操作，勞動(dòng)生產(chǎn)率低，風(fēng)機(jī)站分散，距離較遠(yuǎn)，協(xié)調(diào)工作不便，且崗位人員嚴(yán)重不足。風(fēng)機(jī)站只能實(shí)現(xiàn)定期巡檢，不能實(shí)時(shí)掌握各風(fēng)機(jī)站運(yùn)行狀況，系統(tǒng)可靠性差。

(3)1 000 m 以上 TB7 風(fēng)機(jī)站、新 TB8 風(fēng)機(jī)站、1 150 m 管纜井風(fēng)機(jī)站、1 350 m 風(fēng)機(jī)站和 1 000 m 礦石轉(zhuǎn)運(yùn)道風(fēng)機(jī)站 5 處風(fēng)機(jī)，由于投入使用年限較長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)為非節(jié)能型電動(dòng)機(jī)，且電動(dòng)機(jī)溫度、振動(dòng)等檢測(cè)裝置缺失，沒有安裝制動(dòng)系統(tǒng)。

圖1 風(fēng)機(jī)安裝位置示意Fig.1 Sketch of ventilator installation position

(4)根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB l6423—2006)中規(guī)定：主扇應(yīng)有使礦井風(fēng)流在 10 min 內(nèi)反向的措施。當(dāng)利用軸流式風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)反風(fēng)時(shí)，其反風(fēng)量應(yīng)達(dá)到正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)風(fēng)量的 60% 以上。目前，除 850 m東、西風(fēng)機(jī)站具備反風(fēng)功能，其他 6 個(gè)風(fēng)機(jī)站都無法在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)反風(fēng)。

2 集控系統(tǒng)改造

考慮到多機(jī)站壓抽混合式通風(fēng)系統(tǒng)的復(fù)雜性，改造集控系統(tǒng)采用了 PC+PLC 控制架構(gòu)[1-3]，各風(fēng)機(jī)站 PLC 和上位機(jī)屬于控制系統(tǒng)核心設(shè)備，集控系統(tǒng)由監(jiān)控上位機(jī)、各風(fēng)機(jī)站 SIMATIC S7-1200 PLC、變頻器、現(xiàn)場(chǎng)傳感器、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)等組成。考慮到惡劣的井下環(huán)境，系統(tǒng)設(shè)置了地表和井下遠(yuǎn)程集控、現(xiàn)場(chǎng) PLC 柜觸摸屏控制和現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制 3 級(jí)控制模式。通常情況下，井下操作人員在井下 1 150 m 變電站集控站進(jìn)行集中控制，地表集控中心輔助監(jiān)視，各風(fēng)機(jī)站現(xiàn)場(chǎng)無人值守；當(dāng)井下集控站控制出現(xiàn)問題，不能遠(yuǎn)程操作各風(fēng)機(jī)時(shí)，通過授權(quán)由地表集控室操作控制各風(fēng)機(jī)站設(shè)備；系統(tǒng)檢修或故障時(shí)，操作人員在各風(fēng)機(jī)站現(xiàn)場(chǎng)通過安裝在 PLC 控制柜上的 TP1200 COMFORT 觸摸屏啟動(dòng)和控制風(fēng)機(jī)。當(dāng) PLC 控制柜和變頻器出現(xiàn)故障無法及時(shí)排除時(shí)，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了PLC 和變頻器旁路系統(tǒng)，通過現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制箱和直接啟動(dòng)柜啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，使風(fēng)機(jī)在短時(shí)間內(nèi)應(yīng)急運(yùn)行，滿足生產(chǎn)的需要。上位機(jī) WINCC 系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)將各風(fēng)機(jī)站 PLC 采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算并存儲(chǔ)，對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)在線監(jiān)控，實(shí)現(xiàn) 11 臺(tái)風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程集中控制。各風(fēng)機(jī)站 PLC 根據(jù)上位機(jī)指令自動(dòng)控制系統(tǒng)配套 Siemens 變頻器，風(fēng)速變送器將風(fēng)速檢測(cè)信號(hào)送給 PLC 并與系統(tǒng)給定信號(hào)比較，再通過 PLC 內(nèi)部程序運(yùn)算后控制變頻器驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)按照一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。但系統(tǒng)受到擾動(dòng)和環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)速變送器檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生變化，檢測(cè)值被反饋到 PLC 與風(fēng)速設(shè)定信號(hào)比較，經(jīng) PLC 程序運(yùn)算后向變頻器輸出轉(zhuǎn)速控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)按照系統(tǒng)所需的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)閉環(huán)調(diào)速，其閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速控制原理如圖 2所示。現(xiàn)場(chǎng)傳感器對(duì)各風(fēng)機(jī)站風(fēng)壓、風(fēng)速、振動(dòng)、電動(dòng)機(jī)軸承溫度、繞組溫度等參數(shù)進(jìn)行采集，將這些信號(hào)傳輸至 S7-1200 控制器。變頻器接收 PLC 和上位機(jī)發(fā)出的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速給定信號(hào)、轉(zhuǎn)向信號(hào)、故障復(fù)位信號(hào)、急停信號(hào)等，自動(dòng)調(diào)節(jié)控制風(fēng)機(jī)的安全啟、停和調(diào)速運(yùn)行。集控網(wǎng)絡(luò)采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過各風(fēng)機(jī)站現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)、環(huán)網(wǎng)匯聚交換機(jī)和光纖匯聚到礦區(qū)千兆光纖環(huán)網(wǎng)，地表集控室通過礦區(qū)千兆環(huán)網(wǎng)交換數(shù)據(jù)。通風(fēng)系統(tǒng)集中控制改造方案如圖 3 所示。

圖2 風(fēng)機(jī)閉環(huán)調(diào)速控制原理Fig.2 Control principle of closed-loop ventilator speed regulation

圖3 通風(fēng)系統(tǒng)集中控制改造方案Fig.3 Reconstruction scheme of ventilation system centralized control

3 集控系統(tǒng)控制單元

3.1 集控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

集控網(wǎng)絡(luò)由 DELL I7-8700 操作員站和工程師站、接入和匯聚交換機(jī)、SIMATIC S7-1200 控制器、變頻器、現(xiàn)場(chǎng)傳感器、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)等組成。網(wǎng)絡(luò)選用了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為了提高信道利用率，通信實(shí)時(shí)性和網(wǎng)絡(luò)可靠性，數(shù)據(jù)主干網(wǎng)采用了千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)[1]，網(wǎng)絡(luò)匯聚和接入交換機(jī)分別采用了華為 S5700-28P-LI-AC 和東土 Opal10-Ports-PS1-PS2 交換機(jī)；各風(fēng)機(jī)站 PLC 通過接入交換機(jī)與礦區(qū)環(huán)網(wǎng)和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。PLC 通過 PN 通信協(xié)議與安裝在各風(fēng)機(jī)站 PLC 柜上的觸摸屏通信，通過 DP 協(xié)議與變頻器通信[4]。礦區(qū)通風(fēng)集控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖 4 所示。

3.2 PLC 控制系統(tǒng)

PLC 選用 SIMATIC S7-1200 控制器作為控制核心，主要由電源、CPU、數(shù)字量和模擬量 I/O 口、電阻輸入和通信模塊等組成[3]。數(shù)字單元主要檢測(cè)風(fēng)機(jī)控制方式、風(fēng)機(jī)正反轉(zhuǎn)、啟停、急停、故障復(fù)位、變頻器狀態(tài)和抱閘運(yùn)行情況，并進(jìn)行信息采集和控制；模擬量處理模塊主要對(duì)溫度、壓力和振動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換；通信單元通過工業(yè)網(wǎng)口和 DP 通信負(fù)責(zé)與觸摸屏、上位機(jī)和變頻器進(jìn)行通信[4]。風(fēng)機(jī)站現(xiàn)場(chǎng)傳感器實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速、風(fēng)壓、溫度、振動(dòng)等信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)傳送給 PLC。

3.3 集控系統(tǒng)

集控系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)各風(fēng)機(jī)站無人值守模式下的設(shè)備集中控制，系統(tǒng)具有如下功能[1]。

(1)在遠(yuǎn)程控制模式下，上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)所有風(fēng)機(jī)的啟停、調(diào)速和正反轉(zhuǎn)操作，并顯示各類參數(shù)、參數(shù)曲線、故障報(bào)警及歸檔。

(2)通過各風(fēng)機(jī)站 PLC 控制站觸摸屏，可單獨(dú)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行啟停、調(diào)速和正反轉(zhuǎn)操作。

(3)風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，可在集控室或現(xiàn)場(chǎng)停用故障風(fēng)機(jī)，而不影響其他站點(diǎn)風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。

(4)實(shí)時(shí)檢測(cè)各風(fēng)機(jī)站風(fēng)量和風(fēng)速。

(5)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每臺(tái)風(fēng)機(jī)的電氣參數(shù)。

(6)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的軸承溫度、電樞溫度和振動(dòng)。

(7)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

(8)實(shí)時(shí)模擬通風(fēng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)圖。

(9)查看風(fēng)量、風(fēng)壓、溫度、振動(dòng)和電流等參數(shù)的實(shí)時(shí)運(yùn)行曲線及歷史記錄。

(10)在監(jiān)控系統(tǒng)中，可進(jìn)行系統(tǒng)功能組態(tài)、監(jiān)視報(bào)警、控制參數(shù)在線修改和調(diào)整，同下位機(jī)進(jìn)行傳輸、通信，采集各設(shè)備與儀表的運(yùn)行狀態(tài)、各工藝參數(shù)，并進(jìn)行匯總、處理、報(bào)警和故障分析。

(11)具有用戶權(quán)限管理功能，根據(jù)權(quán)限分別授予操作權(quán)限和系統(tǒng)參數(shù)修改及程序修訂權(quán)限。

3.4 集控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.4.1 PLC 軟件設(shè)計(jì)

圖4 礦區(qū)通風(fēng)集中控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.4 Ethernet architecture of ventilation centralized control system in mining area

軟件編程選用了與 S7-1200 編程器相配套的Siemens 博途 V14[3]。各風(fēng)機(jī)站的啟停控制有遠(yuǎn)程操作、現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏操作和現(xiàn)場(chǎng)控制箱操作 3 種方式。遠(yuǎn)程集中控制由工控機(jī)向 PLC 發(fā)出啟動(dòng)指令，由 PLC根據(jù)邏輯控制程序?qū)崿F(xiàn)風(fēng)機(jī)的自動(dòng)保護(hù)和啟動(dòng)；現(xiàn)場(chǎng)集中控制由操作人員在各風(fēng)機(jī)站 PLC 控制柜 TP1200 COMFORT 觸摸屏發(fā)出啟動(dòng)指令，PLC 根據(jù)邏輯控制程序?qū)崿F(xiàn)風(fēng)機(jī)的自動(dòng)保護(hù)和啟動(dòng)；選擇現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作時(shí)，PLC 的各項(xiàng)控制、保護(hù)和檢測(cè)功能均被旁路，由操作人員通過風(fēng)機(jī)控制箱啟停風(fēng)機(jī)。單臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)程控制流程如圖 5 所示。

3.4.2 上位機(jī)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

集控系統(tǒng)組態(tài)軟件選用 Siemens 公司的 SIMATIC WinCC V7.4[3]。該軟件的主要子系統(tǒng)有圖形系統(tǒng)、報(bào)警信息系統(tǒng)、變量存檔、報(bào)表系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和通信系統(tǒng)[5]等組成。通過上位機(jī)組態(tài)、過程邏輯組態(tài)、數(shù)據(jù)備份/分析、網(wǎng)絡(luò)通信組態(tài)、系統(tǒng)調(diào)試/診斷功能、管理層分析/決策功能，集控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控上位機(jī)，實(shí)時(shí)對(duì)各風(fēng)機(jī)站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析處理、實(shí)時(shí)控制、統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ)、故障報(bào)警、查詢打印和遠(yuǎn)程傳輸?shù)热蝿?wù)，并可在集控室主機(jī)及大屏幕上顯示各風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)狀態(tài)動(dòng)、靜態(tài)圖形、數(shù)據(jù)、曲線、通風(fēng)系統(tǒng)示意圖、模擬量配置圖等[6]。通過用戶權(quán)限管理功能，使用密碼設(shè)置權(quán)限等級(jí)，在線調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)各風(fēng)機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)控制參數(shù)和控制功能，極大地方便了系統(tǒng)維護(hù)和分級(jí)管理。14 行風(fēng)機(jī)站控制系統(tǒng)主控畫面如圖 6 所示。

圖5 單臺(tái)風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程控制流程Fig.5 Process flow of remote control for single ventilator

圖6 14 行風(fēng)機(jī)站監(jiān)控系統(tǒng)主控界面Fig.6 Main control interface of monitoring system for 14-lined ventilation station

4 結(jié)語(yǔ)

基于 PLC 控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和光纖以太環(huán)網(wǎng)的風(fēng)機(jī)集控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全礦區(qū) 11 臺(tái)主要通風(fēng)機(jī)站的遠(yuǎn)程集中控制和統(tǒng)一管理，在保證控制系統(tǒng)可靠性的前提下，延伸了管理觸角，降低了運(yùn)行維護(hù)成本，減少了現(xiàn)場(chǎng)崗位操作人員，提高了維護(hù)人員對(duì)系統(tǒng)突發(fā)事件的應(yīng)急能力。通過技術(shù)改造，降低了能源消耗，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)的快速正、反轉(zhuǎn)切換控制，滿足了《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)的要求，集控系統(tǒng)的自動(dòng)化、信息化水平顯著提升，也為開展“自動(dòng)化、智能化”礦山建設(shè)進(jìn)行了有益的嘗試和探索。