井下远程通风控制系统研究与应用

黎 钊，朱 帅，霍斌杰

安徽开发矿业有限公司 安徽六安 237000

安徽开发矿业有限公司共有李楼和吴集 2 个矿区，采用两翼对角式通风系统，由副井和斜坡道进风，南、北两翼的风井回风。-425 m 水平作为主要入风平巷，-250 m 平巷为专用回风巷。-250 m 和-425 m 水平间，每 25 m 有 1 个采矿平巷，分布风井通风。根据国家安全监管总局确定三年“机械化换人、自动化减人”的目标，借助智慧化矿山的建设趋势，对矿山井下通风系统进行了井下远程通风控制系统的研究与应用，从根本上增强了设备的安全性。

1 自动控制系统

1.1 控制方式 1

集中式 CPU＋分布式 I/O 系统＋双冗余现场总线＋上位机[1]，如图 1 所示。采用一对冗余的 CPU 来完成对整个风机系统的远程控制。各风机附近设控制分站，分站内装分布式 I/O 系统，不设单独的 CPU。CPU 与分布式 I/O 系统之间通过双冗余现场总线进行通信。

图1 控制方式 1Fig.1 Control mode 1

现场变频器控制信号、风速风压及其他传感器信号接入风机附近控制分站，完成现场数据采集，通过现场总线传递给 CPU，CPU 结合上位机 HMI 人工操作指令和现场数据采集信号进行程序处理，处理完毕后通过现场总线向分布式 I/O 系统发出控制指令，分布式 I/O 系统对变频柜进行相应的启、停、正反转和调速[2]。

SIMATIC ET200 系统、模块化系统和分布式 I/O系统可以安装在控制柜里、设备上或者爆炸危险场所。此范围内的所有产品都可以通过 PROFIBUS 或PROFINET 集成到现有的自动化系统中。

控制方式 1 缺点在于：①一旦分站通信中断，可能会导致风机保护功能失效或造成部分风机停机；② 对系统运维人员技术水平要求较高，操作不当可能导致系统停机；③无法逐台风机分步调试，且调试过程较为复杂。

1.2 控制方式 2

独立中小型 PLC 控制柜+冗余现场总线+上位机，如图 2 所示。

图2 控制方式 2Fig.2 Control mode 2

控制方式 2 为每台风机独立配置 1 套中小型 PLC控制柜，PLC 柜现场采集风机变频器数据和附近的风速、风压、温度等传感器数据，并通过光纤网络与地表上位机进行通信，完成程序处理后，直接向变频器发出控制指令进行相应操作。

控制方式 2 优点在于：①风机控制程序就地存储和运行，通信中断不影响风机运行；② 对系统运维人员技术水平要求一般，操作不当只会影响单台风机运行；③可以逐台风机调试，随时可接入通信网络。

控制方式 2 缺点在于：①每台风机 1 套程序，不便于程序归档管理；② 无法直接通过 CPU 完成高级过程控制，二期智能通风时需要增加额外的高级控制器；③没有冗余现场总线功能，现场级通信可靠性较低。

1.3 对比分析

（1）井下环境条件复杂，通信光缆被砸断的问题时有发生，控制方式 1 虽采用了冗余现场总线，但仍可能因通信中断而造成风机停机，不符合矿井通风故障安全要求。而控制方式 2 的 PLC 控制柜就在机旁，通信中断只会造成无法远程操控，风机会保持通信中断前的原状态持续运行，且保护功能仍然有效，这符合矿井通风故障安全状态要求。

（2）将原有 1 个 CPU 完成的任务分解为若干个中小型 CPU 来完成，虽然管理起来复杂一些，但程序可读性和系统容错能力提高，整个系统对技术人员的技术水平要求降低，后期维护难度下降。

（3）采用标准化的以太网通信接口协议，各控制分站可在该协议中作为智能化设备来进行管理，日后智能通风技术实现时可利用该协议来进行对接，从而解决现有 CPU 不具备高级过程控制功能的问题[3]。

资产规模在一定程度上决定了银行的市场竞争能力、盈利能力和抗风险能力，而银行的盈利能力也是其资产规模扩张的关键。2007年底，银行业总资产只有53万亿元，但到了2011年末，这一数字已快速增长到113万亿元，短短4年翻了一番还多[2]。目前，中国银行的发展主要是依靠规模的扩张，而规模的扩张有利于银行业实现规模经济，降低成本。而且，在我国当前利差相对稳定的情况下，银行收入水平与存贷款规模高度相关，所以，有理由认为，高的规模扩张为银行业高利润提供了有利保障。

通过以上对比，针对安徽开发矿业通风系统现状，选择控制方式 2 作为风机远控实现的自动控制技术方案。

2 工业控制通信

2.1 通信标准

选择基于工业以太网的 TCP/IP 或 PROFINET 作为整个风机控制系统的通信标准，原因如下：

（1）原有的四级风机远控系统控制柜采用西门子S7-300 CP343-1EX30-0XE0 作为通信网卡，为避免重复投资，新系统应与之兼容。

（2）与现场总线技术（PROFIBUS-DP、MODBUS-485）相比，工业以太网技术（TCP/IP、PROFINET、ETHERNET/IP）具有传输速率高、拓扑结构灵活、故障诊断简便等诸多优点。

（3）使用 PROFINET 协议时，新增加的各 PLC 分站可作为智能化设备来进行集中控制和诊断，为后期系统集成和功能扩展提供更好的支撑。

2.2 网络拓扑

网络拓扑方案主要有 3 种：①主干环形+分支环形拓扑；② 主干环形拓扑+分支线型拓扑；③主干环形拓扑+分支星型拓扑。网络拓扑对比如表 1 所列。

表1 网络拓扑对比Tab.1 Comparison of network topology

“环形＋环形”拓扑网络系统可靠性最高，但投资高、工程量大、运维难度高；“环形＋线型”拓扑网络系统投资低、工程量小，但系统可靠性偏低[4]；“环形＋星型”拓扑网络系统投资费用和工程量中等，系统可靠性也较好。因此，综合对比后选择环形＋星型拓扑作为现场工业控制通信网络方案，网络拓扑示意如图 3 所示。

图3 网络拓扑示意Fig.3 Sketch of network topology

3 操作控制

系统整体功能包括所有风机的统一管理，在远程模式下，可以实现所有接入自动化系统内风机的集中控制及远程监控。可视化的图形界面可以实时展示所有风机的状态；其设置的分级子画面可以展示单台风机的详细信息及启停调速控制。配合视频监视系统，可以实现风机无人值守。其控制功能设置如下：

（1）系统设置就地控制、远程集控 2 种操作模式，操作模式切换由风机启动柜原盘面转换开关实现。如果单区域 PLC 集中控制站与调度中心中央监控站通信中断，则可转换为就地控制模式。

（2）风机就地启停及调速操作由风机启动柜盘面上的按钮和电位计实现，通过启动柜盘面指示灯及仪表可以显示风机状态及电流转速等参数。此种模式可脱离 PLC 自控系统，就地操作单台风机；

（3）远程集控模式负责所有风机状态监视及管理。当某台风机或者系统出现异常情况时，在操作界面上会出现报警信号，并显示相关的故障信息。

（4）利用光纤介质与工业以太网，调度中心与各风机站点实现了互联互通。在完成所有风机监控的同时，实现设备启停运行、数据存储、故障报警等功能。

4 设备选型

4.1 控制器

考虑到远控的一级和四级风机之间距离远，因此每台风机采用每台风机 1 个 PLC 控制柜。PLC 集中控制站负责区域内所有风机的控制，控制柜 PLC 采用西门子或 ABB 中端级以上 PLC 控制器，如图 4 所示。

图4 PLC 控制器Fig.4 PLC controller

4.2 传感器

目前市场上的风速、风压等传感器种类繁多，利用此次项目，通过对比试验，安装不同类型符合要求的传感器，选择出性能优越适合矿井环境的产品。

风速测量传感器[5]有很多种分类，主要可以分为皮托管式风速传感器、螺旋桨风速传感器、霍耳效应电磁风速传感器、热线式风速传感器以及超声波式风速传感器等。由于风速测量传感器产品性能参差不齐，拟使用以下 4 种不同风速传感器，如：FC-2A三杯式风速传感器（霍耳效应）、KGF2 矿用风量传感器（超声波）、GFY15（B）型矿用双向风速传感器（皮托管）、GTx108-F Ebtron 热线式风速风量传感器（热线式）。

矿用负（风）压传感器，拟使用以下 3 种不同风压传感器，如：GPD5000F 负压传感器、KG3033 矿用负压传感器、KGY3A 型矿用负压传感器。

5 最终实现的功能

（1）集中操作 在控制室上位机上完成。操作员在操作站的工控组态软件运行窗口，选择处于远控待命状态的风机，然后按“启动”按钮，即可启动此风机，按“停止”按钮，此风机就会停止运行。停机后系统禁止马上按“反转”按钮（对电动机的一种保护）。设备进行反转时，整个启停过程由自动运行程序控制。

（2）就地操作 此方式用于设备检修或设备调试，防止风机意外自启动，同样也可作为紧急停机使用。如果对风机运行工况有充分的了解，可以直接就地操控风机，上位机界面如图 5 所示。

图5 上位机界面Fig.5 Interface of master computer

（3）重要功能 ①实现对风机变频器的启停、正反转、急停控制，并监测其运行状态、故障等信号，能通过 I/O 模块实现对风机变频器的启停、正反转、急停控制，并设置以通信控制为第一优先级的控制转换功能；② 能对变电所或变频柜内烟雾传感器信号实时监测，事故情形下能自动报警，并能实时调取相关配电室视频监控；③对电动机绕组温度、电动机两端轴承温度进行监测、采集，能采集变频器工作电流、频率等运行参数并能远程监控；④ 具有传感器信号断线、网络信号断线、PLC 及其 I/O 模块故障的监测、报警功能，如图 6 所示；⑤ 可设置风机变频器最大允许调节频率；⑥ 上位机监控系统与PLC 进行数据通信，具备人机对话及显示功能；⑦上位机监控系统控制风机变频器柜的分合闸，并监视其故障保护状况，持续监测风机电动机的轴承温度、定子绕组温度、变压器每相绕组温度信号，在超温时能可靠地发出报警；显示、记录所监测的各个温度，提供历史数据的查询；⑧ 上位机监控系统实时快速响应，对设备运行状态、故障做到准确显示和实时报警。

图6 风机参数监控Fig.6 Monitoring of fan parameters

6 结语

（1）井下远程通风控制系统从井下通风系统的远程控制需求出发。综合控制系统和网络拓扑的优点，稳定可靠。在通信中断、无法远程操控的极端情况下，风机仍会保持通信中断前的原状态持续运行，且保护功能仍然有效，这符合矿井通风故障安全状态的要求。

（2）完善系统的监控保护功能，同时引进了风速、风压等传感器，如皮托管式、螺旋桨式、霍耳效应电磁式、热线式及超声波式等。

（3）随着产业的不断进步，本质安全的理念已经成为矿山企业的共识和硬性要求。借助智慧化矿山的系统建设趋势，矿山井下通风系统成为矿山企业自动化、信息化和智慧化建设的重要组成部分，从根本上增强了设备的安全性能，达到了设计的预期效果。