PLC 和網絡技術在礦山風機站集控系統中的應用

張東永，孫 越，黃 艷

1金川集團股份有限公司二礦區 甘肅金昌 737100

2金川集團股份有限公司銅業公司 甘肅金昌 737100

二礦區是大型下向膠結充填法機械化開采礦山，出礦量已突破 430 萬 t，礦井通風系統采用多級機站進風、地表主扇集中回風的多機站壓抽混合式通風。二礦區通風系統呈對角式結構，系統有 7 個進風區和 2 個回風區。通風區域涉及 5 條豎井，4 個中段，3 個副中段，3 個分段和 1 條主斜坡道。

目前二礦區通風系統設備包括 8 臺 DK40 系列對旋風機，3 套 K45 系列的空氣幕。由于各風機站建設安裝時間跨度大，裝備系統技術水平層次不齊，自動化和信息化程度整體較低。系統主要技術參數沒有集中顯示，只能依靠各風機站崗位人員定時現場巡檢獲得，勞動生產率低；設備檢測手段不完善，系統風壓、風速、電動機電流、電樞溫度和電動機振動等系統重要技術參數缺失；沒有建立系統運行數據庫和故障診斷系統，維修不便；沒有安裝變頻器實現集控，無法在 10 min 內實現系統反風。為了消除系統存在的上述問題，提高系統的自動化和信息化水平，適應大型坑采礦山數字化建設的潮流，筆者采用計算機技術、PLC 技術、變頻技術和網絡技術，對通風系統進行了升級改造，取得了顯著效果。

1 通風系統

二礦區通風系統共有 11 臺主要通風機組，其中8 臺為 DK40 系列對旋通風機，3 臺為 K45 系列的空氣幕。一級風機站 5 個，布置在井下各主要通風平巷內，主要作用為分配風量和增加通風動能；二級風機站 3 個，起引導風流和克服回風側通風阻力的作用；井下 3 組空氣幕，用于局部風流和風量調節，提高通風效果。風機安裝位置如圖 1 所示，各風機參數如表1 所列。

由于是多中段下向膠結充填進路式回采金屬礦山，生產環節多，系統龐大，通風系統服役年限長，各風機站安裝建設時間跨度大，裝備系統技術水平層次不齊，自動化程度低，目前系統主要存在以下問題。

(1)除 850 m 東、西風機站外，其余風機站控制系統均采用傳統的繼電器和接觸器控制方式。這種控制方式落后，設備檢測手段不完善、故障檢測不及時，可靠性差，維護量大，對各風機和主要表征參數無法實現遠程集中控制和監視；系統故障時不能及時發現，維修人員必須到現場進行故障判斷，耗時長，生產影響大。

表1 風機站風機參數Tab.1 Parameters of ventilators in each ventilator station

(2)由于系統沒有實現集控，所有設備均在現場操作，勞動生產率低，風機站分散，距離較遠，協調工作不便，且崗位人員嚴重不足。風機站只能實現定期巡檢，不能實時掌握各風機站運行狀況，系統可靠性差。

(3)1 000 m 以上 TB7 風機站、新 TB8 風機站、1 150 m 管纜井風機站、1 350 m 風機站和 1 000 m 礦石轉運道風機站 5 處風機，由于投入使用年限較長，驅動為非節能型電動機，且電動機溫度、振動等檢測裝置缺失，沒有安裝制動系統。

圖1 風機安裝位置示意Fig.1 Sketch of ventilator installation position

(4)根據《金屬非金屬礦山安全規程》(GB l6423—2006)中規定：主扇應有使礦井風流在 10 min 內反向的措施。當利用軸流式風機反轉反風時，其反風量應達到正常運轉時風量的 60% 以上。目前，除 850 m東、西風機站具備反風功能，其他 6 個風機站都無法在規定的時間內實現反風。

2 集控系統改造

考慮到多機站壓抽混合式通風系統的復雜性，改造集控系統采用了 PC+PLC 控制架構[1-3]，各風機站 PLC 和上位機屬于控制系統核心設備，集控系統由監控上位機、各風機站 SIMATIC S7-1200 PLC、變頻器、現場傳感器、數據通信網絡等組成。考慮到惡劣的井下環境，系統設置了地表和井下遠程集控、現場 PLC 柜觸摸屏控制和現場手動控制 3 級控制模式。通常情況下，井下操作人員在井下 1 150 m 變電站集控站進行集中控制，地表集控中心輔助監視，各風機站現場無人值守；當井下集控站控制出現問題，不能遠程操作各風機時，通過授權由地表集控室操作控制各風機站設備；系統檢修或故障時，操作人員在各風機站現場通過安裝在 PLC 控制柜上的 TP1200 COMFORT 觸摸屏啟動和控制風機。當 PLC 控制柜和變頻器出現故障無法及時排除時，系統還設計了PLC 和變頻器旁路系統，通過現場手動控制箱和直接啟動柜啟動風機，使風機在短時間內應急運行，滿足生產的需要。上位機 WINCC 系統通過網絡將各風機站 PLC 采集的數據進行分析計算并存儲，對風機運行關鍵參數在線監控，實現 11 臺風機的遠程集中控制。各風機站 PLC 根據上位機指令自動控制系統配套 Siemens 變頻器，風速變送器將風速檢測信號送給 PLC 并與系統給定信號比較，再通過 PLC 內部程序運算后控制變頻器驅動風機電動機按照一定的轉速運轉。但系統受到擾動和環境發生變化時，風速變送器檢測數據發生變化，檢測值被反饋到 PLC 與風速設定信號比較，經 PLC 程序運算后向變頻器輸出轉速控制信號，驅動風機按照系統所需的轉速運行，實現對風機閉環調速，其閉環自動調速控制原理如圖 2所示。現場傳感器對各風機站風壓、風速、振動、電動機軸承溫度、繞組溫度等參數進行采集，將這些信號傳輸至 S7-1200 控制器。變頻器接收 PLC 和上位機發出的風機轉速給定信號、轉向信號、故障復位信號、急停信號等，自動調節控制風機的安全啟、停和調速運行。集控網絡采用拓撲結構，網絡數據通過各風機站現場交換機、環網匯聚交換機和光纖匯聚到礦區千兆光纖環網，地表集控室通過礦區千兆環網交換數據。通風系統集中控制改造方案如圖 3 所示。

圖2 風機閉環調速控制原理Fig.2 Control principle of closed-loop ventilator speed regulation

圖3 通風系統集中控制改造方案Fig.3 Reconstruction scheme of ventilation system centralized control

3 集控系統控制單元

3.1 集控網絡架構

集控網絡由 DELL I7-8700 操作員站和工程師站、接入和匯聚交換機、SIMATIC S7-1200 控制器、變頻器、現場傳感器、數據通信網絡等組成。網絡選用了拓撲結構，為了提高信道利用率，通信實時性和網絡可靠性，數據主干網采用了千兆工業以太環網[1]，網絡匯聚和接入交換機分別采用了華為 S5700-28P-LI-AC 和東土 Opal10-Ports-PS1-PS2 交換機；各風機站 PLC 通過接入交換機與礦區環網和上位機實現數據交換。PLC 通過 PN 通信協議與安裝在各風機站 PLC 柜上的觸摸屏通信，通過 DP 協議與變頻器通信[4]。礦區通風集控系統網絡架構如圖 4 所示。

3.2 PLC 控制系統

PLC 選用 SIMATIC S7-1200 控制器作為控制核心，主要由電源、CPU、數字量和模擬量 I/O 口、電阻輸入和通信模塊等組成[3]。數字單元主要檢測風機控制方式、風機正反轉、啟停、急停、故障復位、變頻器狀態和抱閘運行情況，并進行信息采集和控制；模擬量處理模塊主要對溫度、壓力和振動等參數進行轉換；通信單元通過工業網口和 DP 通信負責與觸摸屏、上位機和變頻器進行通信[4]。風機站現場傳感器實時采集現場風速、風壓、溫度、振動等信號，并將其轉換為標準信號傳送給 PLC。

3.3 集控系統

集控系統操作簡單，可實現各風機站無人值守模式下的設備集中控制，系統具有如下功能[1]。

(1)在遠程控制模式下，上位機可實現所有風機的啟停、調速和正反轉操作，并顯示各類參數、參數曲線、故障報警及歸檔。

(2)通過各風機站 PLC 控制站觸摸屏，可單獨對風機進行啟停、調速和正反轉操作。

(3)風機發生故障時，可在集控室或現場停用故障風機，而不影響其他站點風機的正常運行。

(4)實時檢測各風機站風量和風速。

(5)實時監測每臺風機的電氣參數。

(6)實時監測風機驅動電動機的軸承溫度、電樞溫度和振動。

(7)實時監測風機電動機轉速。

(8)實時模擬通風機通風系統狀態圖。

(9)查看風量、風壓、溫度、振動和電流等參數的實時運行曲線及歷史記錄。

(10)在監控系統中，可進行系統功能組態、監視報警、控制參數在線修改和調整，同下位機進行傳輸、通信，采集各設備與儀表的運行狀態、各工藝參數，并進行匯總、處理、報警和故障分析。

(11)具有用戶權限管理功能，根據權限分別授予操作權限和系統參數修改及程序修訂權限。

3.4 集控系統軟件設計

3.4.1 PLC 軟件設計

圖4 礦區通風集中控制系統網絡架構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]。各風機站的啟停控制有遠程操作、現場觸摸屏操作和現場控制箱操作 3 種方式。遠程集中控制由工控機向 PLC 發出啟動指令，由 PLC根據邏輯控制程序實現風機的自動保護和啟動；現場集中控制由操作人員在各風機站 PLC 控制柜 TP1200 COMFORT 觸摸屏發出啟動指令，PLC 根據邏輯控制程序實現風機的自動保護和啟動；選擇現場手動操作時，PLC 的各項控制、保護和檢測功能均被旁路，由操作人員通過風機控制箱啟停風機。單臺風機運程控制流程如圖 5 所示。

3.4.2 上位機組態軟件設計

集控系統組態軟件選用 Siemens 公司的 SIMATIC WinCC V7.4[3]。該軟件的主要子系統有圖形系統、報警信息系統、變量存檔、報表系統、數據處理和通信系統[5]等組成。通過上位機組態、過程邏輯組態、數據備份/分析、網絡通信組態、系統調試/診斷功能、管理層分析/決策功能，集控系統實現了遠程監控上位機，實時對各風機站進行數據采集、分析處理、實時控制、統計存儲、故障報警、查詢打印和遠程傳輸等任務，并可在集控室主機及大屏幕上顯示各風機站風機狀態動、靜態圖形、數據、曲線、通風系統示意圖、模擬量配置圖等[6]。通過用戶權限管理功能，使用密碼設置權限等級，在線調整通風系統各風機站通風系統控制參數和控制功能，極大地方便了系統維護和分級管理。14 行風機站控制系統主控畫面如圖 6 所示。

圖5 單臺風機遠程控制流程Fig.5 Process flow of remote control for single ventilator

圖6 14 行風機站監控系統主控界面Fig.6 Main control interface of monitoring system for 14-lined ventilation station

4 結語

基于 PLC 控制技術、計算機技術和光纖以太環網的風機集控系統，實現了全礦區 11 臺主要通風機站的遠程集中控制和統一管理，在保證控制系統可靠性的前提下，延伸了管理觸角，降低了運行維護成本，減少了現場崗位操作人員，提高了維護人員對系統突發事件的應急能力。通過技術改造，降低了能源消耗，實現了風機的快速正、反轉切換控制，滿足了《金屬非金屬礦山安全規程》對通風系統反風的要求，集控系統的自動化、信息化水平顯著提升，也為開展“自動化、智能化”礦山建設進行了有益的嘗試和探索。