太平煤矿KJ90-ZF煤矿主通风机监控系统升级研究

王秀江 罗胜 董明 许华国

摘要：KJ90-ZF主通风机监控系统利用计算机技术、自动控制技术和传感器技术对主通风机的运行状态、运行过程进行实时监测和优化控制，实现了整个通风系统的最优化设计，具有远程监控、自动运行、实时报警、故障保护、统计分析，实现了风机正常一键启停、一键倒机等功能。确保了操作的安全性、可靠性，同时最大程度减少系统停机时间，保障矿井的正常生产。有力地保障主通风机经济、可靠、安全的运行，在安全生产的基础上提高矿井的自动化水平和运营管理水平。

关键词：主通风机 监控  一键启动  一键倒机

一、概述：

近几年来，国家及行业管理部门陆续出台一系列政策性文件引导和推动煤矿企业加强机械化、自动化、信息化、智能化建设。煤炭行业的新建矿井、重组改造矿井及生产矿井，都在不同程度的提升煤矿自动化与信息化水平，以期建设成为集约、安全、高效、绿色型矿井，实现减员提效、保障生产安全。

KJ90-ZF主通风机监控系统利用计算机技术、自动控制技术和传感器技术对主通风机的运行状态、运行过程进行实时监测和优化控制，具有远程监控、自动运行、实时报警、故障保护、统计分析等功能。利用通风控制技术，对主通风机进行智能控制，可以改变主通风运行电机的频率，在支持变频调节的情况下对主通风机的通风量进行调节，从而实现整个通风系统的最优化设计，有力地保障主通风机经济、可靠、安全的运行，在安全生产的基础上提高矿井的自动化水平和运营管理水平。

二、系统现状

太平煤矿具有一个主通风机站：主通风机已完成变频改造，对一些参数如电压电流等进行了监测，但没有形成完善的监控系统，对风量、风速、风机振动等参数没监测;主通风机站的设备详细信息情况如下：

1）具有两台煤矿地面防爆压入式对旋轴流主通风机，采用变频控制方式对每台风机的两台电机进行变频控制。

2）风门为绞车垂直风门，由风门控制按钮控制。

3）具有大型电力变频器两台，用于控制两台主通风机。

4）高压开关柜产品型号：KYN28A-12;电动机保护测控装置产品型号：EDCS-8000系列。

整个通风机系统的高压供电部分以及低压供电部分都采用的是双回路的供电方式，通风机系统采用变频器控制，主通风机在线监控系统采用冗余控制，由两台PLC同时监控现场设备。

三、太平煤矿KJ90-ZF煤矿主通风机监控系统升级改造

1、传输网络设计

太平煤矿已经建立了工业以太环网平台，主通风机站安装有环网交换机，本次建设以现有工业以太环网平台为传输媒介，现场设备就近接入环网交换机，通过TCP/IP协议实现远程监控中心与现场控制的数据交互。

2、现场设备配置

1）调度室的配置与功能：

调度中心内配置两台工控机作为上位机，一台惠普打印机，一台山特2KVA/2小时规格UPS（按照每台计算机功率750W，打印机功率100W计算），一台上位机作为远程主操作员站，另外一台作为备用操作员站。组态软件采用西门子WINCC软件。具备系统管理、图形显示、报警功能、数据管理功能、控制功能、数据联网功能等。

2）PLC控制柜的配置与功能：

（1）PLC控制柜内提供两种控制系统供选择即：硬件冗余控制系统和软件冗余控制系统。

硬件冗余控制系统通过专用硬件冗余模块实现系统冗余，专用光纤作为冗余连接介质，冗余功能不需要编程通过硬件自动实现，不需要占用CPU资源，组态配置极简单，可以做到无扰切换并且整个切换过程不花时间。经评估后采用硬冗余系统进行控制。

（2）具体功能介绍：

[1]通风机的控制采用冗余的控制系统，在PLC控制柜里面设立两组CPU，以一主一备的形式存在，主、备系统共同运行，但只有主系统承担真正的控制功能，主备系统通过同步机制保持运行的同步性，一旦主系统发生故障，从系统自动接替控制任务成为新的主系统，整个切换过程自动进行，生产过程不中断。

[2]PLC柜提供觸摸屏，提供监测参数的图形显示，以及控制操作按钮。选择风机的控制工作方式选择，分别是远控、现场集中控制和就地控制方式。现场操作员可以进行通风机的集中控制如：正常启停，运行风机切换等操作。

[3]控制功能。系统提供通风机的正常启/停、倒台、反风控制功能。对变频器控制系统，PLC监控柜提供RS485接口、模拟量I/O，配合变频器的接口，实现控制功能。

3、高低压开关柜部分的检测与控制

采用PLC输出触点直接控制高压开关柜的分合闸并采集合闸信号的方式实现高压开关柜的分合闸控制，利用专用485通信模块采集现场所有高压开关柜的相关电量参数、运行状态的方式实现现场高压开关柜的监测与控制连锁。低压开关部分直接利用PLC的输出触点控制1#号、2#号低压柜里面的电动合闸机构，以及柜体之间的联络合闸机构，并检测合闸机构的分合闸信号，对于低压的输出检测采用在低压输出侧安装电量传感器与继电器相结合的方式检测低压侧的输出，与电量模块的通讯运用指定的485通信模块。低压柜选用ATS型低压开关柜两台，含RDQH-400M/4PT 400AR型双电源开关，两路电源互为备用，自投自复，手自动可选择。

4、变频器的检测与控制

1）该部分主要需要控制的主要包括两台变频器（北京合康新能变频科技股份有限公司）其中：

1号变频器B1（控制1#主通风机两级电机）

2号变频器B2（控制2#主通风机两级电机）

现场1#主通风机的一级、二级电机均接在1#变频器B1的输出端，2#主通风机的一级、二级电机均接在2#变频器B2的输出端。保证了两极电机输出频率一定，同时变频器具备通过设置给定频率来调节矿井供风量大小的功能。

控制方式：

利用PLC直接通过输出触点控制变频器的启动、停止、运行信号采集，采用PLC与变频器控制柜建立MODBUS通信的方式来给定频率、故障读取和相关参数的采集。（由矿方协调变频器厂家免费提供MODBUS通讯接口和协议）

5、风门的检测与控制

1）该部分主要需要控制的是两台风机的绞车风门：

现场风门运行信号通过风门控制柜和现场接线腔接入系统。增加倾角传感器。

2）控制方式：

PLC通过风门控制柜直接控制两台风机风门绞车控制的开、关、停止，同时检测风门的开关到位信号。

6、通风机电机温度的检测

每台风机设置1台温度巡检仪，用于采集通风机电机前后轴温度、定子绕组温度。当轴温、绕组温度等某路监测温度超过给定值时，报警继电器动作，给出报警信号。

7、通风机震动量的检测

每台通风机设计2台振动传感器，对水平和竖直方向的震动情况进行监测。将震动传感器输出参数与通风机入口压力参数相配合，作为喘振的判断依据可以有效及时发出报警信号。

8、通风机风量以及压力的检测：

采用静压差法测量通风机风量、风压、风速等参数。每台通风机上安装取压装置，配合压力传感器，监测通风机静压，同时根据不同截面上的压力差计算通风机的风速、风量、全压等工况参数。

9、系统控制功能（一键启停、一键倒机）

PLC软件程序采用模块化的设计理念，主要分为过程及状态扫描子程序、模拟传感器采集子程序、数字量采集子程序、变频器485通讯子程序、温度巡检仪及电力参数采集网关通讯子程序、风机启停子程序、一键倒机子程序等。首先系统初始化，然后进行中断查询，在没有中断的情况下执行现场数字量信号、模拟量信号、485通讯信号、以太网通讯信号的采集，将采集到的现场信号放入程序预先开发好的专家分析模块进行分析比对，以方便系统及时做出异常报警判断和未知风险判断。在有中断的情况下程序将提供风机正常一键启停、一键倒机等操作。系统可以最大程序确保操作的安全性、可靠性，同時最大程度减少系统停机时间，保障矿井的正常生产。具体程序总体流程如图所示：

注意：该图中一键倒机流程为主通风机系统倒到备用通风机系统。倒机流程控制设备包括高压开关、低压开关、变频器、风门等关键设备。（此处有疑问可以探讨，后面可以根据矿方实际情况需要调整）。

10、视频监控系统部分

利用攀煤公司视频升级改造项目改造后的视频系统。

11、通风机自动倒机方案及时间计算

高低压供电正常的情况下，实现通风机自动倒机过程如下：

第一步：系统检测高低压供电是否正常，如果有故障则发出报警，。

第二步：系统检测到高低压供电正常以后停止运行中的主通风机变频器，此时变频器的频率50HZ左右。

第三步：系统检测到主通风机变频器输出频率降至10HZ以下时，同时关闭主通风机风门打开备用通风机风门。

第四步：系统检测到主通风机风门关到位、备用通风机风门打到位以后直接启动备用通风机变频器，待变频器频率由0HZ正常运行至50HZ左右时整个倒机过程完成。

倒机过程中发生任何故障，系统都会及时预警。

倒机时间T的计算：

T=Td+Tm+Tc = 90s+60s+90s= 240s

四、结论

太平煤矿主通风机监控系统通过技术改进实现了远程对所有高低压开关的分、合闸控制，以及高效完成高、低压双回路供电的回路切换等功能，保证了回路切换的可靠性。系统完善了空气动力学参数、供电电参数监测;具备了完善的主通风机正常状态下的开、停控制，定期轮换（倒机）及反风控制功能，“远程控制”、“集中控制”、“就地控制”多种控制方式，实现了风机正常一键启停、一键倒机功能。极大地改善了矿井通风系统监测监控系统的可靠性、可靠性。