太平煤礦KJ90-ZF煤礦主通風機監控系統升級研究

王秀江 羅勝 董明 許華國

摘要：KJ90-ZF主通風機監控系統利用計算機技術、自動控制技術和傳感器技術對主通風機的運行狀態、運行過程進行實時監測和優化控制，實現了整個通風系統的最優化設計，具有遠程監控、自動運行、實時報警、故障保護、統計分析，實現了風機正常一鍵啟停、一鍵倒機等功能。確保了操作的安全性、可靠性，同時最大程度減少系統停機時間，保障礦井的正常生產。有力地保障主通風機經濟、可靠、安全的運行，在安全生產的基礎上提高礦井的自動化水平和運營管理水平。

關鍵詞：主通風機 監控? 一鍵啟動? 一鍵倒機

一、概述：

近幾年來，國家及行業管理部門陸續出臺一系列政策性文件引導和推動煤礦企業加強機械化、自動化、信息化、智能化建設。煤炭行業的新建礦井、重組改造礦井及生產礦井，都在不同程度的提升煤礦自動化與信息化水平，以期建設成為集約、安全、高效、綠色型礦井，實現減員提效、保障生產安全。

KJ90-ZF主通風機監控系統利用計算機技術、自動控制技術和傳感器技術對主通風機的運行狀態、運行過程進行實時監測和優化控制，具有遠程監控、自動運行、實時報警、故障保護、統計分析等功能。利用通風控制技術，對主通風機進行智能控制，可以改變主通風運行電機的頻率，在支持變頻調節的情況下對主通風機的通風量進行調節，從而實現整個通風系統的最優化設計，有力地保障主通風機經濟、可靠、安全的運行，在安全生產的基礎上提高礦井的自動化水平和運營管理水平。

二、系統現狀

太平煤礦具有一個主通風機站：主通風機已完成變頻改造，對一些參數如電壓電流等進行了監測，但沒有形成完善的監控系統，對風量、風速、風機振動等參數沒監測;主通風機站的設備詳細信息情況如下：

1）具有兩臺煤礦地面防爆壓入式對旋軸流主通風機，采用變頻控制方式對每臺風機的兩臺電機進行變頻控制。

2）風門為絞車垂直風門，由風門控制按鈕控制。

3）具有大型電力變頻器兩臺，用于控制兩臺主通風機。

4）高壓開關柜產品型號：KYN28A-12;電動機保護測控裝置產品型號：EDCS-8000系列。

整個通風機系統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，通風機系統采用變頻器控制，主通風機在線監控系統采用冗余控制，由兩臺PLC同時監控現場設備。

三、太平煤礦KJ90-ZF煤礦主通風機監控系統升級改造

1、傳輸網絡設計

太平煤礦已經建立了工業以太環網平臺，主通風機站安裝有環網交換機，本次建設以現有工業以太環網平臺為傳輸媒介，現場設備就近接入環網交換機，通過TCP/IP協議實現遠程監控中心與現場控制的數據交互。

2、現場設備配置

1）調度室的配置與功能：

調度中心內配置兩臺工控機作為上位機，一臺惠普打印機，一臺山特2KVA/2小時規格UPS（按照每臺計算機功率750W，打印機功率100W計算），一臺上位機作為遠程主操作員站，另外一臺作為備用操作員站。組態軟件采用西門子WINCC軟件。具備系統管理、圖形顯示、報警功能、數據管理功能、控制功能、數據聯網功能等。

2）PLC控制柜的配置與功能：

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

硬件冗余控制系統通過專用硬件冗余模塊實現系統冗余，專用光纖作為冗余連接介質，冗余功能不需要編程通過硬件自動實現，不需要占用CPU資源，組態配置極簡單，可以做到無擾切換并且整個切換過程不花時間。經評估后采用硬冗余系統進行控制。

（2）具體功能介紹：

[1]通風機的控制采用冗余的控制系統，在PLC控制柜里面設立兩組CPU，以一主一備的形式存在，主、備系統共同運行，但只有主系統承擔真正的控制功能，主備系統通過同步機制保持運行的同步性，一旦主系統發生故障，從系統自動接替控制任務成為新的主系統，整個切換過程自動進行，生產過程不中斷。

[2]PLC柜提供觸摸屏，提供監測參數的圖形顯示，以及控制操作按鈕。選擇風機的控制工作方式選擇，分別是遠控、現場集中控制和就地控制方式。現場操作員可以進行通風機的集中控制如：正常啟停，運行風機切換等操作。

[3]控制功能。系統提供通風機的正常啟/停、倒臺、反風控制功能。對變頻器控制系統，PLC監控柜提供RS485接口、模擬量I/O，配合變頻器的接口，實現控制功能。

3、高低壓開關柜部分的檢測與控制

采用PLC輸出觸點直接控制高壓開關柜的分合閘并采集合閘信號的方式實現高壓開關柜的分合閘控制，利用專用485通信模塊采集現場所有高壓開關柜的相關電量參數、運行狀態的方式實現現場高壓開關柜的監測與控制連鎖。低壓開關部分直接利用PLC的輸出觸點控制1#號、2#號低壓柜里面的電動合閘機構，以及柜體之間的聯絡合閘機構，并檢測合閘機構的分合閘信號，對于低壓的輸出檢測采用在低壓輸出側安裝電量傳感器與繼電器相結合的方式檢測低壓側的輸出，與電量模塊的通訊運用指定的485通信模塊。低壓柜選用ATS型低壓開關柜兩臺，含RDQH-400M/4PT 400AR型雙電源開關，兩路電源互為備用，自投自復，手自動可選擇。

4、變頻器的檢測與控制

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

1號變頻器B1（控制1#主通風機兩級電機）

2號變頻器B2（控制2#主通風機兩級電機）

現場1#主通風機的一級、二級電機均接在1#變頻器B1的輸出端，2#主通風機的一級、二級電機均接在2#變頻器B2的輸出端。保證了兩極電機輸出頻率一定，同時變頻器具備通過設置給定頻率來調節礦井供風量大小的功能。

控制方式：

利用PLC直接通過輸出觸點控制變頻器的啟動、停止、運行信號采集，采用PLC與變頻器控制柜建立MODBUS通信的方式來給定頻率、故障讀取和相關參數的采集。（由礦方協調變頻器廠家免費提供MODBUS通訊接口和協議）

5、風門的檢測與控制

1）該部分主要需要控制的是兩臺風機的絞車風門：

現場風門運行信號通過風門控制柜和現場接線腔接入系統。增加傾角傳感器。

2）控制方式：

PLC通過風門控制柜直接控制兩臺風機風門絞車控制的開、關、停止，同時檢測風門的開關到位信號。

6、通風機電機溫度的檢測

每臺風機設置1臺溫度巡檢儀，用于采集通風機電機前后軸溫度、定子繞組溫度。當軸溫、繞組溫度等某路監測溫度超過給定值時，報警繼電器動作，給出報警信號。

7、通風機震動量的檢測

每臺通風機設計2臺振動傳感器，對水平和豎直方向的震動情況進行監測。將震動傳感器輸出參數與通風機入口壓力參數相配合，作為喘振的判斷依據可以有效及時發出報警信號。

8、通風機風量以及壓力的檢測：

采用靜壓差法測量通風機風量、風壓、風速等參數。每臺通風機上安裝取壓裝置，配合壓力傳感器，監測通風機靜壓，同時根據不同截面上的壓力差計算通風機的風速、風量、全壓等工況參數。

9、系統控制功能（一鍵啟停、一鍵倒機）

PLC軟件程序采用模塊化的設計理念，主要分為過程及狀態掃描子程序、模擬傳感器采集子程序、數字量采集子程序、變頻器485通訊子程序、溫度巡檢儀及電力參數采集網關通訊子程序、風機啟停子程序、一鍵倒機子程序等。首先系統初始化，然后進行中斷查詢，在沒有中斷的情況下執行現場數字量信號、模擬量信號、485通訊信號、以太網通訊信號的采集，將采集到的現場信號放入程序預先開發好的專家分析模塊進行分析比對，以方便系統及時做出異常報警判斷和未知風險判斷。在有中斷的情況下程序將提供風機正常一鍵啟停、一鍵倒機等操作。系統可以最大程序確保操作的安全性、可靠性，同時最大程度減少系統停機時間，保障礦井的正常生產。具體程序總體流程如圖所示：

注意：該圖中一鍵倒機流程為主通風機系統倒到備用通風機系統。倒機流程控制設備包括高壓開關、低壓開關、變頻器、風門等關鍵設備。（此處有疑問可以探討，后面可以根據礦方實際情況需要調整）。

10、視頻監控系統部分

利用攀煤公司視頻升級改造項目改造后的視頻系統。

11、通風機自動倒機方案及時間計算

高低壓供電正常的情況下，實現通風機自動倒機過程如下：

第一步：系統檢測高低壓供電是否正常，如果有故障則發出報警，。

第二步：系統檢測到高低壓供電正常以后停止運行中的主通風機變頻器，此時變頻器的頻率50HZ左右。

第三步：系統檢測到主通風機變頻器輸出頻率降至10HZ以下時，同時關閉主通風機風門打開備用通風機風門。

第四步：系統檢測到主通風機風門關到位、備用通風機風門打到位以后直接啟動備用通風機變頻器，待變頻器頻率由0HZ正常運行至50HZ左右時整個倒機過程完成。

倒機過程中發生任何故障，系統都會及時預警。

倒機時間T的計算：

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

四、結論

太平煤礦主通風機監控系統通過技術改進實現了遠程對所有高低壓開關的分、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。系統完善了空氣動力學參數、供電電參數監測;具備了完善的主通風機正常狀態下的開、停控制，定期輪換（倒機）及反風控制功能，“遠程控制”、“集中控制”、“就地控制”多種控制方式，實現了風機正常一鍵啟停、一鍵倒機功能。極大地改善了礦井通風系統監測監控系統的可靠性、可靠性。