分布控制系統在大型礦山通風系統中的應用

王夕旭

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

礦山井下通風設備是每個礦山必不可少的關鍵設備，但對于散布于整個礦山的通風系統子風機站，統一管理存在較大的難點。雖然隨著自動化系統及變頻設備的普及，通風系統也就著自動化浪潮并入了礦山自動化系統。但對于以前礦山采用的集中式遠程控制系統，依然存在設備成本高昂，維護復雜，一旦光纜斷線則風機停機的弊端。這時候成本低廉，系統冗余度高，部署簡單的分布式遠程控制系統就體現出了獨到的優勢。除了實現傳統的風機遠程控制系統的設備遠程控制啟停、監測每臺風機的電流電壓功率風速等參數、風機的轉速實時控制等，還增加了在變頻器故障時自動使用接觸器旁路直接重啟動等冗余安全功能，大大提高了系統可靠性。針對井下光纖故障率高的問題，分布式遠程控制系統通過每個子站獨立成子系統，即使通信光纖故障，子站也可以運行在上一個命令狀態，而不會停機。

下面將從系統架構設計、建設難度、成本控制、使用維護等方面，詳細討論分布式控制相對集中式控制給礦山通風自動控制系統工程帶來的益處。

1 集中式遠程控制系統特點

礦山井下通風系統對可靠性要求較高，部分關鍵點位設備一旦停機超過限時，將極大影響井下作業空間空氣質量，甚至威脅井下人員安全。由于井下采掘面及其他工作面實際是處于不斷變化之中，對通風量的需求也是不斷變化的，為適應這種變化，傳統通風系統采用的是定頻風機電機加可調風門的手段來實現調節風量。在自動化系統普及之前，風機站點位極為分散的特點又使得在要監視各個風機站運行狀態及對風機相關設備進行維護與風量調整成為了一件耗時又費力的工作。為解決以上這些問題，自動化程度較高的通風遠程控制系統應運而生。其典型系統結構見圖1。

圖1 集中式風機控制系統結構框圖Fig.1 Structure block diagram of centralized fan control system

系統采用集中控制方式，于集控中心內設置了1個集控操作站，操作站配控制電腦及中控PLC，現場控制總線信號經光電轉換器轉為光信號，通過光纖和井下各級通風機站連接。風機站采用光電轉換器將光纖內的總線信號轉換為電信號，接入各控制設備，從而達到集中控制及檢測的目的。

1.1 采用光纖傳輸控制信號

干擾小，通訊信號屬于光信號，所以外圍強電信號無法干擾本身的運行，對現場數據的采集及控制信號的下發不會造成影響；傳輸距離長，支持遠距離傳輸信號，光信號衰減小，通信距離可達數公里；傳輸速度快，采用以光纖為介質的現場總線連接，傳輸速度得到較大提升，保持了各機站通風機的實時性。

1.2 風機可調速

采用變頻器對風機進行控制，舍棄了調節麻煩且成本高昂的風門調節，可以對電機的速度及轉向進行實時控制，實現了風量的無級調節及事故反風。配合變頻器的高效率高功率因數及調速特性，可以實現可觀的節能降耗效果；并且能實現風機順槳狀態啟動時的軟啟動，以延長設備壽命。

1.3 數據量多

可以實時監測電機電流、電壓、頻率、功率、溫度、變頻器溫度、等大量的數據，還可以計量電度；但是集中控制方式帶來的問題也很多。

(1)網絡可靠性對整個系統穩定運行起決定性作用：為了提高數據實時性，采用了現場總線方式連接各個子站，無法形成環網結構，一旦通信光纜損壞(即光纖網絡發生故障通信丟失)就意味著斷點后所有子站都會離線。同時由于采用現場總線，子站與中控PLC斷開還有風機停機的風險。這時候就需要維護人員到達偏遠的現場就地啟動風機來保證正常生產，雖然此故障信號可以在集控室監測到，但恢復風機運行將耗費巨大的時間，期間伴隨風機因失去主機控制而停機的風險，后果不堪設想。

(2)擴展性差：同樣是因為采用了現場總現方式連接各個子站，當需要增減風機子站的時候都需要更改系統硬件配置，就必然需要對整個通風系統做停機之后才可以操作，還必須在硬件添加后做子站的編程調試工作，這勢必影響生產及增加系統維護的復雜程度。

(3)建設成本較高，通常PLC和現場設備的通信使用現場總線協議是以雙絞線或者其他通信電纜方式連接。而通信電纜的傳輸距離較近，勢必需要用到光電轉換設備才能使用光纖作為遠程傳輸介質。不同于以太網的光纖設備，支持現有現場總線協議的工業用光電轉換設備往往價格高昂，按每個子站需一臺的數量進行配置的話，將在總投資中占有很大的比例。

2 分布式遠程控制系統特點

相對于集中控制方式，如何提高系統可靠性，最大化在使用過程中的安全性就成為新一代礦山通風遠程控制系統的主要目標。為了實現上述目標，克服集中控制方式在應用中存在的問題，分布式控制應運而生，見圖2，該系統有如下特點：

圖2 分布式風機控制系統結構框圖Fig.2 Structure block diagram of distributed fan control system

2.1 環網系統提高網絡可靠性高

井下環境復雜，光纖以其抗干擾能力強、有效傳輸距離長、速度快的特點成為井下通訊的必然選擇。但光纖又因其較為脆弱的特性，即使做好敷設線路選擇及相應的保護也難免會發生損壞，一旦損壞必然導致通信斷線的情況。采用集中式控制的系統一旦發生通信丟失，變頻器將直接停機，這給井下環境帶來了巨大的安全隱患。相較于采用現場總線的集中控制方式，分布控制方式可以采用能方便的工業以太網組成光纖環網。環網的優勢在于，當環網內一處發生斷線故障后，網絡信號可以自動切換為另一個方向繼續傳輸，保證數據穩定。且可以通過增加光纖敷設線路的方式，輕松的做到多環網冗余。

2.2 網絡建設成本低

相較于集中控制方式需采用昂貴的現場總線光電轉換器組網，以太網光電交換機的價格相對低廉，可以省下不小的投資。

2.3 離線運行提高系統穩定性

分布控制方式采用子站分散布置、主站集中控制的方式，主站只負責控制命令的下發、子站數據的匯總及子站通信狀態的診斷，具體控制邏輯都在分站上運算完成，一旦通信光纖出現問題，子站將運行在之前狀態，不會因丟失主站控制命令而停機，甚至及時在斷線期間某部分出現故障，例如變頻器故障，也可以依據設定好的程序，自動切換為旁路運行。提高了系統可靠性、安全性的同時降低了人工維護成本。

2.4 風機全狀態運行增加系統適應性

變頻器的節能效果已經得到廣泛認可，但井下環境惡劣，高濕度，高溫度高粉塵都對變頻器的可靠性提出了極大的考驗。得益于子站分散布置、主站集中控制。具體控制邏輯都在分站上完成運算，不會因丟失主站控制命令而停機的特性。為了在變頻器故障時依然可以保證通風量，進而保證井下人員安全，本系統除了可以變頻器驅動外，還提供了旁路直接驅動方式作為變頻器故障時的后邊措施作為冗余，并且可以在無視主站通訊是否正常的情況下進行變頻器故障后直接切換到旁路運行，并生成就地報警信息，巡查人員可在通訊恢復后或者巡查到風機點時及時發現并加以處理。從而大大提升了系統的安全性和可靠性。

2.5 簡化硬件設計提高擴展性高

比起集中控制方式需要停機修改基礎硬件配置才能添加新的子站，分布控制方式因采用模塊化設計每個子站使用相同的軟硬件配置，將編程量大大縮減為原來的1/3，同時由于其離線運行的特性，可以在系統不停機的情況下方便的添加子站。而且，添加的新子站在可以在做好調試后再并網進入系統，添加后即可直接運行，不需要像集中控制方式的子站一樣再重復調試程序。大大節省了時間，降低了成本，方便了系統擴展。

3 系統設計

基于系統的功能和需求，結合礦山現場的環境特點和運行習慣，分布式遠程控制系統一般分為人機界面；主站控制系統；子站控制系統；網絡通信系統。下面就每個分系統的設計做簡單介紹。

3.1 人機界面系統

該系統主要實現操作人員與控制系統的溝通，控制指令的下發和運行狀態、運行數據的顯示、報警的顯示等。力求操作邏輯清晰，功能按鍵簡單明了，數據顯示簡潔醒目，報警信息及時等要求。

人機界面采用Wonderware公司的上位機監控軟件Intouch進行組態開發，可以通過鼠標點擊來控制風機的啟動停止，各種狀態都可以進行實時監控，并且所有操作及數據歷史記錄都存儲在電腦中，方便事故查詢和查看運行狀況，見圖3。

圖3 人機界面主視圖Fig.3 Main view of human machine interface

人機界面電腦通過以太網線與主站控制系統連接，在屏上進行監控和操作。通過人機界面，可以了解各風機子站內的設備運行狀態，隨時監控溫度，電壓，電流等參數及附屬設備的運行狀態；同時還可了解各子站與主機間的網絡狀況，各子站設備間通信狀態等；可以對系統內的每一臺設備進行獨立控制，以單獨檢測各臺設備的運行狀況。同時為了適應不同地點、環境條件下風機的合理運轉，可以在變頻模式下進行轉速的設置。為了方便故障的排查，還提供了操作狀態匯總、故障狀態匯總及運行狀態匯總。

3.2 主站控制系統

作為整合各個子站數據、聯通現場設備與人機界面的中樞，主站控制系統是整個控制系統的核心，其功能性與可靠性是系統穩定易用的保證。

3.2.1 主站系統硬件結構

為了適應系統需求，主站硬件構成如下：

(1)網絡通信模塊：使用以太網光纖交換機，具備千兆光纖接入能力，以應對遠程通信需要。具備若干個千兆以太網電口，方便連接控制器，及人機界面電腦。

(2)控制器模塊：具備以太網口，方便與其他設備通信，特別是連接網絡通信模塊。具有存儲和可編程功能，以實現主站對子站控制命令的下發，接收子站運行數據及狀態。一般使用可編程邏輯控制器PLC來完成這一工作。

(3)不間斷電源模塊：使用一臺在線式不間斷電源給主站控制器及人機界面電腦供電，以保證設備的安全可靠運行，減少意外斷電情況對系統的沖擊。

主站系統硬件框圖見圖4。

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圖4 主站系統硬件框圖Fig.4 Hardware block diagram of master station system

3.2.2 主站系統程序結構

主站程序主要負責與上位人機界面的數據傳輸，及對子站命令的下發和運行參數的接收，主要由一些整體調用的通信處理子程序構成，編程量較少，構成如下：

(1)控制邏輯主程序：包整個系統運行邏輯的主要程序功能。

(2)網絡通信模塊：通過控制器標準S7通信控制程序，與子站進行數據交換。

(3)通信質量診斷模塊：通過統計匯總通信控制程序反饋的運行數據，根據時間匯總算法判斷各個子站當前的通信狀態，并提供通信異常報警。

(4)上位人機界面服務模塊：通過控制器標準上位機數據采集接口程序，為主站控制器與人機界面電腦提供數據交換服務。

圖5 主站系統程序框圖Fig.5 Program block diagram of master station system

3.3 子站控制系統

為了滿足控制系統離線運行時對風機的控制，及簡化硬件設計的需求，一個可以廣泛適應現場需求的標準化的子站設計勢在必行。

3.3.1 子站系統硬件結構

為了適應現場需求，子站應具備以下部分：

(1)網絡通信模塊：具備千兆光纖接入能力，以應對遠程通信需要。具備若干個千兆以太網電口，方便連接控制器。一般使用以太網光纖交換機。

(2)控制器模塊：具備以太網口，方便與其他設備通信，特別是連接網絡通信模塊。具有存儲和可編程功能，以實現對主站控制命令的邏輯運算與反饋子站運行數據及狀態給主站。配備通用型的通信接口，方便與變頻器等設備通信實現控制與數據讀取，同時還可以讀取現場傳感器的數據。擁有通用輸入輸出接口，以便與執行機構連接執行相應命令。一般使用可編程邏輯控制器PLC來實現。

(3)執行模塊：包含電力儀表，變頻器及旁路啟動電路，以滿足風機就地、遠程、變頻、旁路、正轉、反轉等多狀態運行的需要。甚至是電動風門的控制器也可以一并集成其中。可通過電力儀表檢測風機電機運行的電參數，同時具備聲光報警功能，在啟動，故障等關鍵節點發出警告，提高安全性。

該模塊功能多、連鎖復雜、運行電流大、動作頻繁，除變頻器可根據風機大小選用現成設備外，一般沒有現成設備可以直接選用，需專門按成套電控柜設計。

(4)傳感器系統：負責收集風機運行所必須的環境數據，如空氣溫度、風速、一氧化碳含量、濕度等數據，為系統運行的記錄、決策、效能提供依據。需按照實際物理量來選擇合適的設備，以滿足測量和可靠性要求。

子站系統硬件框圖見圖6。

圖6 子站系統硬件框圖Fig.6 Hardware block diagram of sub-station system

3.3.2 子站系統程序設計

系統程序秉承為硬件服務的原則，相應也采用的是單元化模塊化的設計思路，各個子站間除通信參數外完全相同。具有可復制性，具體構成如下。

(1)控制邏輯主程序：包整個子站的運行邏輯的主要程序功能。含變頻器及旁路啟動電路的控制邏輯，以滿足風機就地、遠程、變頻、旁路、正轉、反轉等運行狀態的全狀態運行的需要。同時包含聲光報警的控制邏輯，在啟動，故障等關鍵節點發出警告，提高設備運行安全性。

(2)設備通信控制程序：完成變頻器及傳感器系統的總線數據通信，包括總線參數初始化、總線地址輪詢，總線數據命令下發、各地址通信故障上報及診斷、總線設備返回數據預處理等。

(3)執行器模塊控制程序：將控制邏輯主程序的指令直接轉換為輸入輸出接口可以執行的機器語言，供其執行，以控制外部設備。

(4)與主站通信接口程序：直接發送未經加工和統一的數據將極大的占用數據帶寬，同時增加主機運行負擔及編程調試工作量。于是采用此程序，將子站采集和運行中產生的數據需經過處理后，按照約定的固定格式發送給主機處理。將大大減少延時及主機運行負荷。

子程序系統框圖見圖7。

圖7 子站系統程序框圖Fig.7 Program block diagram of sub-station system

有了這樣一套泛用性極高的風機控制子站系統，就能通過簡單的增減配置，實現從小型礦山到大型礦山的分布式通風遠程控制系統適配，而免除了大量的設計調試工作，既縮短了設計開發周期、建設周期，又為使用單位節省了經費，為系統集成商擴大了利潤空間。

4 結 語

分布控制方式作為集中控制方式在通風遠程控制系統中的升級迭代，解決了集中式控制諸如通信網絡可靠性差，部署復雜，擴展性差，建設成本較高等問題，提高了系統的穩定性，降低了維護難度與使用成本。其具有的諸多優勢是集中控制方式很好的替代。

通風遠程控制系統作為井下通風系統的神經中樞，在保證生產安全，提高效率，節省人力方面有著卓越的貢獻。而其本身也因全社會技術的快速進步隨時在進行快速迭代，一套高效可靠、部署靈活的通風遠程控制系統能在當下為井下通風安全保駕護航。隨著礦山建設的進行，還能為企業節省設備投資與人力投入。豐富的數據與可靠的通信鏈路也為即將到來的大數據、5G+做好了底層硬件準備，為將來的智能數字礦山、智能通風系統打下堅實的基礎。