礦井通風監控系統智能化改造研究

張建偉

（攀鋼朱蘭鐵礦，四川攀枝花 617000）

0 引言

礦山地采通風系統的穩定運行是井下生產的重要保證，攀鋼礦業公司朱蘭鐵礦尖山地采的總回風機組，作為與井下風流換氣的設備，用于交換新鮮空氣、稀釋并抽出有毒、有害氣體和粉塵，對保障井下人員健康與安全意義重大。2009 年尖山露天轉地采的掛幫礦生產設計中，風機房主風機供電采用的是10 kV單母線供電，風機由崗位人員用傳統的操作方式在機房單獨控制，職工的工作量大、與現今井下礦山智能化、信息化管理的要求不相適應。因此，在尖山“六大系統”建設中，對供電進行規范設計，并利用PLC、變頻調速及工業組態技術，對風機進行自動化改造，增加井下排水、壓氣界面集成，提升安全監測管理水平，實現無人值守遠程監控。

1 改進方案

1.1 目標的確定

鑒于初期生產、基建條件等因素的制約，在原有供電的基礎上，主風機供電改由地表35/10 kV 系統雙電源J13/J14 供電，主變容量為2×8000 kV·A（圖1）。控制系統將各級風機進行聯網，組建以太網在線監控系統，可以隨時監視、調取運行狀態及工藝參數。

圖1 礦井供電系統

（1）保留原通風機K40-6-NO.22 機械型號不變，將總回風豎井坑口3 臺250 kW 變頻電機作為主要回風裝置，通過自動/手動/工頻按鍵切換風機的工作狀態。

（2）采用遠程通信的PLC 網絡系統，進行與上位機工控機軟件的數據交換，實現中央控制室的集中監控和遠程啟動，以及迅速反風要求、遙測和監控的功能，以降低故障倒機停風時間，確保風機的安全、可靠運行，為調度中心實時關注通風狀況創造條件。

（3）預留擴展端口，滿足多界面切換，實現無人值守運行。在控制室的控制屏（臺）上設主PLC 及工業圖形顯示器，另設4個PLC 子站，在子站中采用遠程模塊，PLC 子站與主站之間用光纖構成通信。在主站的顯示器上可對各風機進行控制，在顯示器上還可顯示各風機的運行狀態信息。

（4）系統具有報警功能，當檢測參數超過設定值或數據異常，將及時報警并發出聲光信號。同時，報警信息自動保存生成報表記錄，便于事后的分析、匯總。

1.2 可行性分析

1.2.1 工業以太網技術

伴隨PLC 通信及網絡功能的日益成熟，Ethernet+TCP/IP+Web 用于自動化系統中單元級和現場通信，即工業自動化PLC網絡系統中的第一級（基礎自動化），是實現過程控制和全集成自動化系統的基礎。主要特點如下：

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

（2）適用于大范圍數字通信，安全及可靠性高。

（3）節省布線，通信線纜與現場連接，可以實現一體化傳送信息。

（4）底層設備與工業環境信息交換，具有良好的可擴展性。

地采通風系統采用以太網絡，為智能化改造提供了可行性系統連入基礎自動化網絡后，很容易實現遠程控制（圖2）。

圖2 控制系統網絡

1.2.2 接線原理的改進

主風機高壓供電系統由J13/J14 兩路10 kV 進線互為備用，設計機械/電氣防誤操作聯鎖裝置，同時2 臺變壓器低壓側增加雙電源切換柜1 臺，確保供電安全，通風變電所一次系統如圖3 所示。控制系統在保留原西門子MM430 變頻器控制柜主接線不變的情況下，通過中間繼電器擴展線路接點，與PLC 的I/O點進行連線。將KA1～KA12 的12 個中間繼電器集成在一塊控制板上，安裝在原柜體左側，其中KA1～KA8 線圈電壓為AC 220 V，功能依次為本地正轉、本地反饋、集中選擇、變頻器電源、遠程正轉運行、遠程反轉運行、運行信號、故障信號；KA9～KA12 線圈電壓為DC 24 V，功能依次為正轉輸出、反轉輸出、停止輸出、復位控制。變頻器接線原理如圖4 所示。

圖3 通風變電所一次系統

2 軟硬件設計及參數調試

2.1 硬件選型

尖山地采礦井總風壓為879.60 Pa，額定裝機總功率750+48.5 kW，其中主扇總功率750 kW，輔扇總功率48.5 kW。控制系統的PLC 選用西門子S7-1500 系列CPU 1516-3 PN/DP，遠程模塊是ET 200SP。具體選擇的硬件型號見表1。

表1 主要硬件型號

2.2 軟件編程

PLC 編程采用TIA Portal STEP7 V15 編程軟件環境，監控畫面采用WINCC V7.4 RC2048 軟件。PLC 程序主要實現風機的手動、自動和工頻工作3 個控制功能，通過本地/遠程進行操作。PLC 程序的編寫要求盡量符合風機控制性能，力求簡單方便，保證通風系統安全，方便后期維護、使用。

2.3 PLC 程序調試

PLC 程序編寫完成后，使用仿真軟件脫機模擬，通過對模擬結果的觀察和判斷，確定達到設計要求，滿足生產工藝需要。模擬正常后進行聯機，將程序下載進S7-1500 CPU，斷開電機主電源，先選擇就地方式，在總回風機房控制室按操作步驟分別啟動/停止各風機，觀察繼電器動作和指示燈顯示是否正確，再選擇遠程方式，在中央操作室控制計算機上啟動/停止各風機，在屏幕上觀察顯示是否正確。全部正確后，調試交流電機的控制變頻器。

2.4 變頻器參數設置

變頻器設置時，需要結合電機的各項數據，快速優化變頻器參數（表2），然后根據風機類負載特點，具體進行參數設置。變頻器在復位時，設置P0010=30，P0970=1，按面板P鍵，變頻器恢復缺省值。需要注意的是如果要在BOP 面板/端子之間進行切換，除了需修改P0700 和P1000 外，還要對P0810 和P0811的參數進行設置。

表2 電機參數設置

2.5 聯動試車

先手動操作運行/停止，結合風機的轉動慣量及負荷，通過對斜坡時間P1120 和P1121進行參數調整，將加/減速時間設定在合理的范圍，確保電機轉速變化，隨變頻器頻率調節同步。當啟動有過流時，加速時間可設置大一些；如果制動時遇到過流，則需要把減速時間加長，并觀察是否報故障，若出現故障保護還要加大最大電流值，以減小對電網的沖擊。正常后可與整個生產線通過遠程聯動試車。并對電機電壓、電流、溫度等相關數據做好記錄，正常運行8 h 后，結束試車。

3 結束語

隨著礦井通風系統穩定性要求的不斷提高以及運維人力的逐年減少，按照人工值守方式，已經無法滿足現場值守、雙崗作業的要求。2020 年以來，通過雙電源設計，供電更加穩定可靠，主風機運用PLC 和在線監控技術，改造后能夠實現中央控制室的集中監控和遠程啟動，為風機、水泵的無人值守運行創造了條件，按“精益+智能”模式，有效降低了運行管理成本，提高了工作效率。24 h 不間斷的數據采集和遠程監控，能夠實時進行設備運行狀態監測及故障異常告警，達到了改造目標的要求。