基于遠(yuǎn)程控制的井下通風(fēng)系統(tǒng)研究

李敬儒，嚴(yán) 旭

（河鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司石人溝鐵礦，河北唐山 064200）

0 引言

礦井通風(fēng)是直接影響礦井生產(chǎn)力的重要因素，礦井通風(fēng)的質(zhì)量直接關(guān)系到井下工作人員的生命安全與身體健康；礦井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定關(guān)系到井下有害氣體濃度；礦井通風(fēng)的能力決定了礦井的生產(chǎn)能力；礦井通風(fēng)的優(yōu)劣決定井下環(huán)境的級別。所以對井下通風(fēng)系統(tǒng)展開研究具有重要的現(xiàn)實意義。李磊[1]對礦井通風(fēng)系統(tǒng)減阻進(jìn)行分析研究，對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單介紹的基礎(chǔ)上，重點分析了通風(fēng)阻力在煤礦生產(chǎn)作業(yè)中增加的原因，總結(jié)了礦井通風(fēng)系統(tǒng)減阻的有效措施；劉江妮、蘭桂斌[2]對礦井通風(fēng)防塵展開研究，詳細(xì)闡述了井下通風(fēng)系統(tǒng)的防塵措施；張靖昊[3]對煤礦礦井通風(fēng)瓦斯的防治措施展開探析，主要包括進(jìn)行風(fēng)量的合理分配、減少巷道的漏風(fēng)、做好上隅角處的通風(fēng)和進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。以上專家學(xué)者對井下通風(fēng)系統(tǒng)的減阻、防塵、防瓦斯等方面展開詳細(xì)研究，但對井下通風(fēng)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制研究還存在一定空白。本文基于遠(yuǎn)程控制對井下通風(fēng)系統(tǒng)展開研究，從井下風(fēng)機(jī)的控制方面提升井下通風(fēng)的安全性、穩(wěn)定性。

1 石人溝鐵礦概況

河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司石人溝鐵礦位于河北省遵化市興旺寨鄉(xiāng)，2001 年7 月由露天開采轉(zhuǎn)入地下開采。井下開采設(shè)備設(shè)施包括南、北風(fēng)井（包括配套風(fēng)機(jī)）、二級站、水泵房、井下中央變電所、豎井提升、斜坡道、調(diào)度室、服務(wù)器機(jī)房等。井下通風(fēng)采用南、北兩翼抽出式三級通風(fēng)方式，一級站位于-180 m 中段各穿脈內(nèi)，有5 臺11 kW 軸流風(fēng)機(jī)，啟動柜采用直接啟動；二級風(fēng)站位于-60 m 中段總回風(fēng)巷南、北兩端，北二級站有2 臺110 kW 軸流風(fēng)機(jī)，采用變頻驅(qū)動；南二級站有1 臺132 kW 軸流風(fēng)機(jī)，采用自耦降壓啟動；三級風(fēng)站設(shè)置于地表南、北回風(fēng)井上部，各有兩組對旋式風(fēng)機(jī)。石人溝鐵礦秉承國家安全監(jiān)管總局確定的3 年“機(jī)械化換人、自動化減人”目標(biāo)[4]，計劃應(yīng)用遠(yuǎn)程控制井下通風(fēng)系統(tǒng)，從傳統(tǒng)控制方式轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣踊o人化的遠(yuǎn)程控制方式。具體機(jī)站風(fēng)機(jī)配置見表1。

表1 機(jī)站風(fēng)機(jī)配置

2 井下通風(fēng)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)設(shè)備選型

井下通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)備主要包括PLC 控制器、傳感器、觸摸屏、變頻器和接觸器具體設(shè)備選型見表2[5]。

表2 系統(tǒng)設(shè)備選型

2.2 系統(tǒng)控制方式

2.2.1 控制原理

石人溝鐵礦的井下通風(fēng)系統(tǒng)控制方式為獨立PLC 控制方式，各風(fēng)機(jī)站風(fēng)機(jī)均獨立配備一套小型PLC 控制柜，PLC控制柜中的配套設(shè)備包括表2 中的設(shè)備。在系統(tǒng)運行過程中，S7-200 CPU226 模塊做為核心控制部分，擴(kuò)展EM231 RTD 模塊，控制電機(jī)軸承溫度、風(fēng)壓、風(fēng)速等信號，擴(kuò)展EM231 AI4×12Bit模塊，用于監(jiān)測電機(jī)振動信號。PLC 將從變頻器讀取的數(shù)據(jù)再通過通信端口傳送到觸摸屏組態(tài)畫面，進(jìn)行顯示及故障報警；同時，觸摸屏可以對變頻器進(jìn)行頻率設(shè)定，進(jìn)而完成系統(tǒng)控制閉環(huán)[6]。

2.2.2 接線方式

PLC 集中控制柜接線如圖1 所示。

圖1 PLC 集中控制柜接線

2.2.3 控制優(yōu)勢

獨立PLC 控制方式具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢，具體如下：①獨立PLC 控制更有利于風(fēng)機(jī)的連續(xù)運行，風(fēng)機(jī)不易受通信中斷、通信故障的影響；②獨立PLC 控制能夠?qū)崿F(xiàn)通信指令的物理隔離，具有天然的可靠性優(yōu)勢；③獨立PLC 控制在進(jìn)行風(fēng)機(jī)調(diào)試時可以逐個進(jìn)行，單一風(fēng)機(jī)占用或風(fēng)機(jī)故障不會影響其他風(fēng)機(jī)的運行，并且可以隨時接入通信網(wǎng)絡(luò)；④獨立PLC 控制使用標(biāo)準(zhǔn)化的以太網(wǎng)通信接口協(xié)議，各控制分站可在該協(xié)議中作為智能化設(shè)備來進(jìn)行管理，日后智能通風(fēng)技術(shù)實現(xiàn)時可利用該協(xié)議來進(jìn)行對接；⑤獨立PLC 控制的系統(tǒng)連續(xù)性和系統(tǒng)容錯性較高，維護(hù)成本和維護(hù)難度較低。

3 遠(yuǎn)程通信的具體實現(xiàn)方式

3.1 工業(yè)以太網(wǎng)

3.1.1 通信標(biāo)準(zhǔn)

石人溝鐵礦的井下通風(fēng)系統(tǒng)主要通過光纖網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，其中光纖網(wǎng)絡(luò)的性能和應(yīng)用方式較為常見。工業(yè)以太網(wǎng)選擇使用Profinet 標(biāo)準(zhǔn)，雖然采用的是國際國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61784，但并不符合標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的IEEE 802.3U 標(biāo)準(zhǔn)，與普通以太網(wǎng)具有較大區(qū)別，主要區(qū)別在于通信標(biāo)準(zhǔn)不同。Profinet 劃分為V1、V2、V3，一般稱為Profinet CBA、Profinet IO 和Profinet IRT，也就是通過以太網(wǎng)來實現(xiàn)對等通信、實時控制和運動控制。其中V1 采用TCP/IP 協(xié)議，是標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)，而V2 和V3 不采用TCP/IP 協(xié)議，這兩種都繞過TCP/IP 協(xié)議，采用另外的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議。

3.1.2 工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)成

主操作臺下顯示器通信設(shè)備，有兩塊CMT-HD 控制設(shè)備用于顯示器與網(wǎng)絡(luò)的通信接口，一塊2 光6 電網(wǎng)絡(luò)光纖交換機(jī)，用于接收和發(fā)送信號，每臺通信機(jī)柜中裝有12 口光纖ODF 配線架，用于光纜固定、光纜終接及調(diào)線用，每臺通信機(jī)柜中裝有以太網(wǎng)交換機(jī)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞桨?/h3>

遠(yuǎn)程通信的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞桨腹灿? 種，分別是雙環(huán)形拓?fù)洹⒅鳝h(huán)分線形拓?fù)洹⒅鳝h(huán)分星形拓?fù)洌渲须p環(huán)形拓?fù)涞闹鞲删W(wǎng)絡(luò)和分支網(wǎng)絡(luò)均采用環(huán)形設(shè)置；主環(huán)分線形拓?fù)涞闹鞲删W(wǎng)絡(luò)采用環(huán)形設(shè)置，分支網(wǎng)絡(luò)采用線形設(shè)置；主環(huán)分星形拓?fù)涞闹鞲删W(wǎng)絡(luò)采用環(huán)形設(shè)置，分支網(wǎng)絡(luò)采用星形設(shè)置。3 種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞桨傅膶Ρ纫姳?。

表3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵Ρ?/p>

根據(jù)表3 可知，雙環(huán)形拓?fù)涞目煽啃宰罡摺⒔ㄔO(shè)成本最高、施工難度最大、維護(hù)難度最高；主環(huán)分線形拓?fù)涞目煽啃宰畹汀⒔ㄔO(shè)成本最低、施工難度最低、維護(hù)難度中等；主環(huán)分星形拓?fù)涞目煽啃宰钪械取⒔ㄔO(shè)成本中等、施工難度中等、維護(hù)難度較低。考慮網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性的兼顧，系統(tǒng)選擇使用主環(huán)分星形拓?fù)浞桨浮?/p>

3.3 通信IP 地址

為提升遠(yuǎn)程通信的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)采取復(fù)合使用通信IP 地址的方式，為光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔⒃黾泳唧wIP 地址，以便系統(tǒng)能夠識別各風(fēng)站的具體部位，具體通信IP 地址見表4。

表4 通信IP 地址

4 系統(tǒng)功能檢驗

基于遠(yuǎn)程控制的井下通風(fēng)系統(tǒng)搭建完成后，對該系統(tǒng)功能進(jìn)行檢驗，測試系統(tǒng)的可行性、應(yīng)用性和功能性。井下通風(fēng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對各風(fēng)站的獨立控制、統(tǒng)一管理、運行狀態(tài)監(jiān)控、自動化調(diào)整等功能。系統(tǒng)對風(fēng)機(jī)的監(jiān)控屬于可視化監(jiān)控，監(jiān)控內(nèi)容包括風(fēng)機(jī)運行狀態(tài)、運行頻率、運行電壓、運行電流、電機(jī)振動、負(fù)荷端溫度、非負(fù)荷端溫度等。此外還能實現(xiàn)多項控制功能，具體如下：

（1）系統(tǒng)設(shè)置中可以選擇兩種操作模式，分別是礦井控制和上位機(jī)控制。當(dāng)切換到礦井控制時，礦井下的操作人員能過獲得風(fēng)機(jī)控制權(quán)，并通過威綸通觸摸屏進(jìn)行控制；當(dāng)切換到上位機(jī)控制時，地上操作人員獲得風(fēng)機(jī)控制權(quán)，通過控制中心的終端設(shè)備進(jìn)行控制。礦井需要根據(jù)實際情況設(shè)置操作模式的優(yōu)先級，石人溝鐵礦的礦井均將上位機(jī)控制設(shè)置為第一優(yōu)先級。

（2）當(dāng)系統(tǒng)以地下控制為主時，礦井內(nèi)的操作人員可以使用威綸通觸摸屏掌握風(fēng)機(jī)的實時運行參數(shù)，包括電流、轉(zhuǎn)速、風(fēng)量、風(fēng)壓等。該觸摸屏可以脫離PLC 控制系統(tǒng)使用，具有相對獨立性。所以在PLC 控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，威綸通觸摸屏仍然能準(zhǔn)確的顯示運行數(shù)據(jù)。威綸通觸摸屏界面如圖2所示。

圖2 威綸通觸摸屏界面

（3）系統(tǒng)具有故障警報功能，工作人員可以根據(jù)礦井規(guī)模、運行數(shù)據(jù)設(shè)置風(fēng)機(jī)運行參數(shù)閾值，當(dāng)運行參數(shù)超過閾值范圍時，系統(tǒng)會自動向控制終端設(shè)備發(fā)送報警信號和故障信息，提醒工作人員進(jìn)行調(diào)整。

（4）系統(tǒng)的通信傳輸主要使用光纖網(wǎng)絡(luò)（光纖介質(zhì)和工業(yè)以太網(wǎng)）和通信IP 地址，既能夠?qū)崿F(xiàn)礦區(qū)的網(wǎng)絡(luò)通信全覆蓋，又具備較強(qiáng)的傳輸準(zhǔn)確性。

（5）系統(tǒng)的主要操作集中在上位機(jī)中，地上操作人員可以根據(jù)上位機(jī)的顯示界面對風(fēng)機(jī)下達(dá)操作指令，包括風(fēng)機(jī)啟動、風(fēng)機(jī)停止、風(fēng)速調(diào)節(jié)、風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)等。

（6）系統(tǒng)的地下控制中包括緊急制動按鈕，在維修人員檢修風(fēng)機(jī)時，風(fēng)機(jī)受電路波動影響自動啟動，會對維修人員的安全造成嚴(yán)重威脅。所以當(dāng)風(fēng)機(jī)自啟動時，維修人員可以通過緊急制動按鈕保護(hù)自己。

（7）為提升操作人員的控制能力，系統(tǒng)除主要功能外，集成了以下附屬控制功能：①通過I/O 模塊實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)變頻器的啟停、正反轉(zhuǎn)、急停控制；②能對變電所或變頻柜內(nèi)煙霧傳感器信號實時監(jiān)測；③能實時調(diào)取相關(guān)配電室視頻監(jiān)控；④對電機(jī)繞組溫度、電機(jī)兩端軸承溫度進(jìn)行監(jiān)測、采集，能采集變頻器工作電流、頻率等運行參數(shù)并能遠(yuǎn)程監(jiān)控；⑤具有傳感器信號斷線、網(wǎng)絡(luò)信號斷線、PLC 及其I/O 模塊故障的監(jiān)測、報警功能；⑥可設(shè)置風(fēng)機(jī)變頻器最大允許調(diào)節(jié)頻率；⑦上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，具備人機(jī)交互及顯示功能；⑧上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)控制風(fēng)機(jī)變頻器柜的分合閘；⑨顯示、記錄所監(jiān)測的各個溫度，提供歷史數(shù)據(jù)的查詢；⑩上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實時快速響應(yīng)，對設(shè)備運行狀態(tài)、故障做到準(zhǔn)確顯示和實時報警。

5 結(jié)束語

結(jié)合石人溝鐵礦井下通風(fēng)系統(tǒng)實例，對系統(tǒng)構(gòu)成和遠(yuǎn)程通信、控制展開研究，對井下通風(fēng)系統(tǒng)和系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信的實現(xiàn)進(jìn)行分析，并根據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)功能驗證井下通風(fēng)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制功能的實用性、完備性和功能性。說明石人溝鐵礦在應(yīng)用基于遠(yuǎn)程控制的井下通風(fēng)系統(tǒng)后，不僅能夠在上位機(jī)實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制井下風(fēng)機(jī)啟停、正反轉(zhuǎn)、緊急制動、復(fù)位等動作，還能對井下通風(fēng)情況進(jìn)行監(jiān)控、故障報警、故障檢測等功能，從根本上增強(qiáng)了設(shè)備的安全性能，達(dá)到設(shè)計預(yù)期效果。