工作面通風(fēng)機(jī)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李逍遙

（華陽(yáng)集團(tuán) 泊里公司安監(jiān)通風(fēng)部，山西 晉中 032700）

1 概 況

通風(fēng)系統(tǒng)是井下煤炭生產(chǎn)的“肺”，是確保煤炭安全開采的重要因素。通風(fēng)系統(tǒng)從地面為工作面輸送新鮮空氣，改善人員的工作環(huán)境。本文以泊里公司煤礦為研究對(duì)象，為提高該礦通風(fēng)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，并確保其與工作面其他自動(dòng)化系統(tǒng)相吻合，對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行了PLC集中控制改造。

2 通風(fēng)機(jī)集中控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

泊里公司通風(fēng)系統(tǒng)有2臺(tái)互備的通風(fēng)機(jī)，采取機(jī)械通風(fēng)。通風(fēng)機(jī)規(guī)格型號(hào)為AGF606-3.0-1.58-2，屬于抽出式軸流通風(fēng)機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 AGF606-3.0-1.58-2通風(fēng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of AGF606-3.0-1.58-2 ventilator

為提高泊里公司通風(fēng)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，達(dá)到風(fēng)量控制精確、節(jié)能降耗的目的，決定對(duì)該礦通風(fēng)機(jī)進(jìn)行PLC集中控制改造。通過(guò)分析研究，結(jié)合泊里公司實(shí)際情況，此次優(yōu)化改造需達(dá)到以下目標(biāo)。

（1）實(shí)時(shí)掌握井下工作面用風(fēng)量，在保障風(fēng)量的前提下，盡量降低通風(fēng)機(jī)的能耗。

（2）集中控制系統(tǒng)融合高低壓配電、變頻、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

（3）控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，可對(duì)冷卻風(fēng)機(jī)、潤(rùn)滑站等裝置進(jìn)行控制。

（4）能夠?qū)νL(fēng)系統(tǒng)中的2臺(tái)通風(fēng)機(jī)切換控制，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)及時(shí)上傳并存儲(chǔ)；一旦通風(fēng)機(jī)發(fā)生異常，能夠及時(shí)做出響應(yīng)，如停機(jī)、報(bào)警等操作。

以冗余控制為原則，設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)集中控制策略，控制流程如圖1所示。

圖1 通風(fēng)機(jī)集中控制的總體方案設(shè)計(jì)Fig.1 Overall scheme design of centralized control of fan

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 變頻器的選型

變頻器是通風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制的核心組件，變頻器的性能對(duì)通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量控制及調(diào)節(jié)精度具有決定性作用。通過(guò)對(duì)泊里公司AGF606-3.0-1.58-2型通風(fēng)機(jī)性能及主要參數(shù)的研究，為滿足較寬的調(diào)速區(qū)間要求，經(jīng)過(guò)分析對(duì)比，選擇型號(hào)為5HK62-5B的變頻器。

3.2 PLC的選型

依照通風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，選用西門子PLC為核心組件，型號(hào)為S7-400HPLC CPU224，該控制器配置14個(gè)輸入端口、10個(gè)輸出端口。為了滿足泊里公司通風(fēng)機(jī)的實(shí)際需要，確保通風(fēng)控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，對(duì)PLC進(jìn)行一定程度的改造，增加一些模擬輸入模塊和數(shù)字量輸出模塊，擴(kuò)展了該控制系統(tǒng)的功能。模擬輸入模塊的任務(wù)是將采集到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字量和模擬量的轉(zhuǎn)換，數(shù)字量輸出模塊的作用是增加輸出點(diǎn)。對(duì)控制系統(tǒng)的輸入、輸出點(diǎn)予以統(tǒng)計(jì)，具體數(shù)量見(jiàn)表2。

表2 PLC通風(fēng)控制系統(tǒng)的輸入輸出量統(tǒng)計(jì)Table 2 Input and Output Statistics of PLC Ventilation Control System

數(shù)字量輸入：IO.0～I(xiàn)O.3；IO.4、IO.5；I1.0；I1.1、I1.2；I1.3；I2.0、I2.1，合計(jì)12個(gè)輸入。

數(shù)字量輸出：Q0.0；Q0.1、Q0.2；Q0.3；Q0.4、Q0.5；Q1.0、Q1.1；Q2.0、Q2.1；Q2.2、Q2.3；Q2.4，合計(jì)13個(gè)輸出。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，把PLC的輸入、輸出端口和外部設(shè)備逐一連接，PLC地址分配情況如下：PLC的IO.0～I(xiàn)O.3依次對(duì)應(yīng)1號(hào)、2號(hào)通風(fēng)機(jī)的4個(gè)電動(dòng)機(jī)；IO.4、IO.5分別對(duì)應(yīng)1號(hào)、2號(hào)通風(fēng)機(jī)的控制開關(guān)；I1.0對(duì)應(yīng)設(shè)備的消音開關(guān)；I1.1、I1.2分別對(duì)應(yīng)手動(dòng)開關(guān)、自動(dòng)開關(guān)；I1.3對(duì)應(yīng)停機(jī)按鈕；I2.0、I2.1分別對(duì)應(yīng)氣壓信號(hào)、瓦斯信號(hào)。Q0.0對(duì)應(yīng)故障顯示端口；Q0.1、Q0.2分別對(duì)應(yīng)中高壓、低壓氣壓顯示；Q0.3對(duì)應(yīng)報(bào)警端口；Q0.4、Q0.5分別對(duì)應(yīng)2個(gè)繼電器；Q1.0、Q1.1對(duì)應(yīng)1號(hào)通風(fēng)機(jī)的2臺(tái)電機(jī)工作狀態(tài)；Q2.0、Q2.1對(duì)應(yīng)2號(hào)通風(fēng)機(jī)的2臺(tái)電機(jī)工作狀態(tài)；Q2.2、Q2.3分別對(duì)應(yīng)手動(dòng)工作狀態(tài)和自動(dòng)工作狀態(tài)；Q2.4對(duì)應(yīng)瓦斯?jié)舛戎怠?/p>

3.3 傳感器選型

為了提高集中控制系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化水平，設(shè)置通風(fēng)機(jī)和環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案如圖2所示。

圖2 集中控制在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.2 Centralized control online monitoring system

由圖2可知，操作人員能夠從觸摸屏或工控機(jī)獲知工作面通風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)、供電系統(tǒng)參數(shù)、輔助設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。以上功能的實(shí)現(xiàn)，必須為其配備相應(yīng)的傳感器，該系統(tǒng)主要傳感器選型見(jiàn)表3。

表3 關(guān)鍵傳感器選型Table 3 Selection of key sensors

4 軟件設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)的通風(fēng)機(jī)集中控制系統(tǒng)采取順序控制的方式。一般情況下，PLC控制程序表達(dá)式為梯形圖。通過(guò)對(duì)集中控制系統(tǒng)控制要點(diǎn)進(jìn)行分析，可得該控制系統(tǒng)的流程，如圖3所示。

圖3 PLC控制流程Fig.3 PLC control process

由圖3可知，D是傳感器采集到的瓦斯實(shí)時(shí)濃度值；D0是集中控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)的瓦斯?jié)舛戎担籉1是傳感器采集到的實(shí)時(shí)氣壓值；F2是集中控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)的工作面氣壓值。操作時(shí)，首先由操作員按下啟動(dòng)按鈕，PLC進(jìn)入自檢狀態(tài)，若選擇手動(dòng)模式，則通風(fēng)系統(tǒng)由手動(dòng)控制；反之，則通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。

通風(fēng)機(jī)集中控制系統(tǒng)對(duì)工作面采集到的濃度值與系統(tǒng)預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較分析，若超過(guò)設(shè)定值，則立即報(bào)警并且停止運(yùn)行；對(duì)采集到的氣壓值與系統(tǒng)預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較分析，如果高于設(shè)定值，則2臺(tái)通風(fēng)機(jī)進(jìn)入輪休狀態(tài)，反之，則2臺(tái)通風(fēng)機(jī)同時(shí)開始工作。

5 應(yīng)用效果

泊里公司通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程化、自動(dòng)化PLC集中控制系統(tǒng)在原有監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改造優(yōu)化而成，該系統(tǒng)應(yīng)用后，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)通風(fēng)機(jī)狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等信息，多方位實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)的切換、啟停，具有自動(dòng)排瓦斯、一鍵快速送電、單雙機(jī)切換運(yùn)行等功能，操作簡(jiǎn)單。這些功能的實(shí)現(xiàn)，使得通風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)化程度大大提高，控制精度有效提升，降低了能耗。

同時(shí)，集中控制系統(tǒng)能夠直觀的將通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)以圖形畫面、曲線、趨勢(shì)圖、報(bào)表等多種形式輸出，支持打印、信息的WEB服務(wù)。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控視頻接入調(diào)度系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)井下通風(fēng)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和無(wú)人值守。集中控制系統(tǒng)應(yīng)用后，泊里公司人員效益、經(jīng)濟(jì)效益顯著，具體情況見(jiàn)表4、表5。

從表4、表5可以看出，泊里公司采用集中控制系統(tǒng)后，每年可節(jié)省人力105人。以10 a期計(jì)算，可節(jié)約資金12 920萬(wàn)元。同時(shí)，巡檢次數(shù)由原來(lái)的1 h/次，改為2 h/次，勞動(dòng)強(qiáng)度顯著降低。

表4 泊里公司兩種方式人員效益比較Table 4 Comparison of personnel benefits between the two modes of the Bori Company

表5 泊里公司兩種方式經(jīng)濟(jì)效益比較Table 5 Comparison of economic benefits between the two modes of the Bori Company

6 結(jié) 語(yǔ)

以泊里公司煤礦為研究對(duì)象，為提高該礦通風(fēng)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，在原有監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了通風(fēng)機(jī)PLC集中控制系統(tǒng)優(yōu)化改造。通風(fēng)機(jī)PLC集中控制系統(tǒng)應(yīng)用后，該礦通風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)化程度大幅提高，提升了控制精度，降低了能耗，勞動(dòng)強(qiáng)度明顯降低。同時(shí)，每年可節(jié)省人力105人，以10 a期計(jì)算，可節(jié)約資金12 920萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。