煤礦壓風機遠程自動化控制系統(tǒng)的研究與應用

賀廣強　宋永灤　劉富光

【摘 要】我國煤礦多為井工開采，巷道掘進過程中使用大量的氣動設備，壓風機擔負著礦井的壓縮空氣的生產(chǎn)任務，為風鎬、風鉆以及其它工具提供動能[1]。傳統(tǒng)的單臺獨立控制、人工開停機的操作工藝，已經(jīng)很難保證壓縮空氣的供氣質(zhì)量，也不利于對壓風機的維護管理，為解決該問題，本文設計了基于PLC技術、計算機控制技術、網(wǎng)絡技術、光纖通訊技術的壓風機實現(xiàn)集中控制，通過采集處理電機電流、電壓信號，溫度、壓力信號，實現(xiàn)壓風機各種保護、報警、監(jiān)控功能、風機的自動投入與退出。經(jīng)過在貴州能發(fā)高山礦業(yè)有限公司實施，提高了礦井壓風系統(tǒng)的自動化程度，提高了壓風機運行的安全性、可靠性，提高了安全生產(chǎn)和管理水平，實現(xiàn)遠程集中控制、實現(xiàn)無人值守，降低了工人勞動強度，大大提高了該礦壓風機工效及生產(chǎn)管理水平。

【關鍵詞】壓風機;PLC;遠程集控;煤礦;無人值守

中圖分類號： TD635;TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）31-0077-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.31.035

Research and Application of Remote Automation Control System for Pressure Fan in Coal Mine

HE Guang-qiang1 SONG Yong-luan2 LIU Fu-guang3

（1.Huayang Communications Technology Co.，Ltd.，Xuzhou Jiangsu 221116，China;

2.Guizhou Yuneng Investment Co.， Ltd.，Guiyang Guizhou 551519，China;

3.Guizhou Nengfa Alpine Mining Co.，Ltd.，Bijie Guizhou 551512，China）

【Abstract】Coal mines in our country are mostly mined by miners.A large number of pneumatic equipments are used in the roadway excavation process.Pressure fans are responsible for the production of mine compressed air， providing kinetic energy for air pick，pneumatic drill and other tools.The traditional single independent control and manual start-stop operation technology has been difficult to ensure the quality of compressed air supply and is not conducive to the maintenance and management of compressor.To solve this problem， this paper designs a compressor based on PLC technology，computer control technology，network technology，optical fiber communication technology to achieve centralized control.By collecting and processing motor current and voltage signals，temperature and pressure signals，the functions of protection，alarm，monitoring and automatic input and exit of pressure fan are realized.Through the implementation in Guizhou Nengfa Gaoshan Mining Co.，Ltd.，the automation degree of mine pressure air system has been improved，the safety and reliability of mine pressure air fan operation has been improved，the level of safety production and management has been improved，remote centralized control has been realized，nobody on duty has been realized， the labor intensity of workers has been reduced，and the mine pressure air has been greatly improved.Machinery efficiency and production management level.

【Key words】Pressure fan;PLC;Remote centralized control;Coal mine;Unattended

1 系統(tǒng)改造目標

為響應機械化換人、自動化減人，科技強安戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)，貴州豫能擬在貴州能發(fā)高山礦業(yè)有限公司實施壓風機控制系統(tǒng)自動化改造，預期達到下述目標：

1）對壓風機實施科學管理;

2）提高壓風機控制系統(tǒng)安全性、準確性、可靠性;

3）提高高山煤礦壓風機控制系統(tǒng)自動化程度;

4）協(xié)調(diào)生產(chǎn)系統(tǒng)中各系統(tǒng)之間的關系，提高機械和電氣設備的利用率，實現(xiàn)無人值守，提高安全生產(chǎn)和管理水平。

2 系統(tǒng)改造前現(xiàn)狀

貴州能發(fā)高山礦業(yè)有限公司壓風機房有3臺空壓機，3個風包，兩趟入井管路，壓風機電機額定電壓等級0.66kV。目前壓風機系統(tǒng)安裝有簡易在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過現(xiàn)場面板能夠簡單查詢風機狀態(tài)，但是采集傳感器安全不全面，無法對電機溫度等相關數(shù)據(jù)進行實時采集，當前系統(tǒng)的啟停主要靠人工的操作。迫切需要進行自動化改造，提高壓風系統(tǒng)自動化程度，提高系統(tǒng)效率。

3 系統(tǒng)方案設計與實施

壓風機自動化系統(tǒng)主要由以下兩部分組成。

1）上位機

上位機設置在集中控制中心，主要包括控制計算機、顯示器、語音報警裝置及控制軟件等。

2）壓風機房監(jiān)控單元

主要由PLC控制柜、電動閥門、傳感器等組成，為了實現(xiàn)空壓機房的無人值守及遠程自動化控制。經(jīng)過充分的分析，本次PLC控制柜內(nèi)的主站控制器選用西門子s7-1200系列PLC來保證系統(tǒng)可靠性，風機及管路上的閥門全部更換為電動閥門，現(xiàn)場加配傳感器實時采集現(xiàn)場物理量信號，并將其轉(zhuǎn)換為標準電信號傳送給CPU。本系統(tǒng)現(xiàn)場使用的傳感器較多，如壓力、溫度等等。為減少傳輸誤差，提高檢測精度，均選用帶變送器，性能可靠，壽命長，輸出標準電流信號4—20mA的傳感器，直接采集現(xiàn)場信號，以進一步提高整套系統(tǒng)的可靠性。同時現(xiàn)場安裝?？禂z像儀實現(xiàn)視頻實時采集。

具體如下：

1）現(xiàn)場PLC控制系統(tǒng)選用西門子S7-系列可編程序控制器作為監(jiān)控核心。可編程序控制器能適應各種惡劣現(xiàn)場條件，現(xiàn)場抗干擾能力強的特點，且安裝維護方便，其模塊化結構，配置相應的通訊接口與各壓風機控制器通訊;與上位計算機進行通訊可以采用Profibus或工業(yè)以太網(wǎng);系統(tǒng)配置合理，技術可行，完全可以滿足現(xiàn)場使用要求。

2）在儲氣罐上加裝壓力變送器、溫度傳感器，實現(xiàn)風包壓力、風包溫度的實時采集。

3）在輸氣管道上安裝流量傳感器、溫度傳感器、壓力變送器實現(xiàn)實現(xiàn)排氣管路流量、溫度、壓力監(jiān)測。

4）在電機配電設施上加裝電流變送器、電壓變送器實現(xiàn)電機電流、電壓等參數(shù)監(jiān)測。

5）現(xiàn)場增加2臺500萬像素高速球型攝像儀，具備定點巡航、巡航軌跡設定等功能，實現(xiàn)壓風機房內(nèi)外的視頻實時采集，保證在無人值守時，防止人員惡意破壞系統(tǒng)，索采集的圖像通過網(wǎng)絡進行傳輸及錄像存儲，存儲時間不少于二個月，滿足事故追溯要求。

6）壓風機及管道的閥門改成電動閥門，遠程控制時通過上位機或系統(tǒng)自動打開、關閉閥門，實現(xiàn)系統(tǒng)自動恒壓供風。

7）現(xiàn)場配置的PLC控制柜，還配置有觸摸屏顯示屏，用于現(xiàn)場顯示工況等，滿足現(xiàn)場檢修需求，PLC的I/O接口預留20%以上的備用量，滿足系統(tǒng)擴容及維修需求。

8）儲氣罐（風包）放水閥門改為自動閥門，確保系統(tǒng)能夠根據(jù)需要實現(xiàn)定時排污。

4 系統(tǒng)功能

1）能夠自動采集、顯示壓風機的各種運行參數(shù)，控制壓風機運行。

2）能夠根據(jù)檢測到的信號判斷壓風機的工作情況，故障時能及時發(fā)出報警信號，并根據(jù)故障類型停止壓風機。

3）有啟動功能、停止功能、正常停車功能、故障停車功能、緊急停車功能、預告功能、保護及故障報警功能。

4）系統(tǒng)通過PLC及控制網(wǎng)絡可方便地采集現(xiàn)場設備開/停及故障狀態(tài)、電機電流等實時數(shù)據(jù)。

5）具有多種控制方式

根據(jù)系統(tǒng)設置，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)以下集中方式下：

PLC自動集控方式：在該模式下PLC根據(jù)設定的工作時間和工作壓力值、總管當前實時壓力值，自動判斷當前投入/切除系統(tǒng)中的壓風機臺數(shù)，經(jīng)特定的運算處理，以便對運行中的壓風機進行加載或者卸荷或切除系統(tǒng)、投入系統(tǒng)工作。

遠程控制方式：在該模式下，通過上位計算機的操作來在控制各壓風機系統(tǒng)的運行。系統(tǒng)對操作員有權限管理，有一定的權限的操作員才可以進行遠程操作。

6）實現(xiàn)自動恒壓供風

當系統(tǒng)在自動集控工作方式時，系統(tǒng)根據(jù)設定的供氣壓力值，自動控制卸荷或加載。當壓力值當風壓達到設定值時，自動停機（卸荷）;風壓降到低值時，自動啟動或關閉卸荷閥。

7）安全可靠地報警保護

每臺壓風機均可具有：出氣壓力超限保護、出氣超溫保護、吸氣阻力過大保護、潤滑油超溫保護、潤滑油量不足保護、主電機超載保護等功能。

8）無人值守

實現(xiàn)多臺壓風機按程序執(zhí)行啟動/停止壓風機操作，并控制相關的水泵閥門等，實現(xiàn)全自動化運行，無人值守[2]。全自動運行方式下，系統(tǒng)可以按現(xiàn)場需要自動啟停一臺或多臺壓風機，完成壓風機的自動加卸載控制，實現(xiàn)壓風機及冷卻水泵自動輪轉(zhuǎn)功能。

9）存檔功能

能夠?qū)F(xiàn)場運行信息存入數(shù)據(jù)庫，以便于隨時進行歷史數(shù)據(jù)查詢。

10）曲線功能

可繪制各種模擬量參數(shù)的實時曲線及歷史曲線。

11）管理功能

監(jiān)控軟件具有設備參數(shù)、運行、檢修和維護的管理功能。

5 結語

通過對貴州能發(fā)高山礦業(yè)有限公司壓風機房的自動化改造，改變了原來系統(tǒng)單臺獨立控制、人工開停機的現(xiàn)狀，通過PLC控制器實時采集、傳輸系統(tǒng)運行工況并在上位機實時顯示，同時系統(tǒng)根據(jù)采集的實時數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)變化趨勢進行預警與報警，提高了壓風機組的運行效率，降低了工人勞動強度[3]，通過恒壓供風策略保證了壓縮空氣的供氣質(zhì)量，對壓風機的維護管理有了更科學的數(shù)據(jù)支撐，保證了開拓進度，達到系統(tǒng)改造預期目標。

【參考文獻】

[1]槐利，譚一川，程玉龍.基于PLC的煤礦壓風機自動控制系統(tǒng)[J].工況自動化，2012.

[2]楊明法，孫君，王寶剛.梁家煤礦副井壓風機的改造及自動化控制[J].山東煤炭科技，2011.

[3]胡峰，薛彥波，曾祥林.基于PLC的壓風機在線監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].能源與環(huán)保，2018.