分布控制系统在大型矿山通风系统中的应用

王夕旭

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

矿山井下通风设备是每个矿山必不可少的关键设备，但对于散布于整个矿山的通风系统子风机站，统一管理存在较大的难点。虽然随着自动化系统及变频设备的普及，通风系统也就着自动化浪潮并入了矿山自动化系统。但对于以前矿山采用的集中式远程控制系统，依然存在设备成本高昂，维护复杂，一旦光缆断线则风机停机的弊端。这时候成本低廉，系统冗余度高，部署简单的分布式远程控制系统就体现出了独到的优势。除了实现传统的风机远程控制系统的设备远程控制启停、监测每台风机的电流电压功率风速等参数、风机的转速实时控制等，还增加了在变频器故障时自动使用接触器旁路直接重启动等冗余安全功能，大大提高了系统可靠性。针对井下光纤故障率高的问题，分布式远程控制系统通过每个子站独立成子系统，即使通信光纤故障，子站也可以运行在上一个命令状态，而不会停机。

下面将从系统架构设计、建设难度、成本控制、使用维护等方面，详细讨论分布式控制相对集中式控制给矿山通风自动控制系统工程带来的益处。

1 集中式远程控制系统特点

矿山井下通风系统对可靠性要求较高，部分关键点位设备一旦停机超过限时，将极大影响井下作业空间空气质量，甚至威胁井下人员安全。由于井下采掘面及其他工作面实际是处于不断变化之中，对通风量的需求也是不断变化的，为适应这种变化，传统通风系统采用的是定频风机电机加可调风门的手段来实现调节风量。在自动化系统普及之前，风机站点位极为分散的特点又使得在要监视各个风机站运行状态及对风机相关设备进行维护与风量调整成为了一件耗时又费力的工作。为解决以上这些问题，自动化程度较高的通风远程控制系统应运而生。其典型系统结构见图1。

图1 集中式风机控制系统结构框图Fig.1 Structure block diagram of centralized fan control system

系统采用集中控制方式，于集控中心内设置了1个集控操作站，操作站配控制电脑及中控PLC，现场控制总线信号经光电转换器转为光信号，通过光纤和井下各级通风机站连接。风机站采用光电转换器将光纤内的总线信号转换为电信号，接入各控制设备，从而达到集中控制及检测的目的。

1.1 采用光纤传输控制信号

干扰小，通讯信号属于光信号，所以外围强电信号无法干扰本身的运行，对现场数据的采集及控制信号的下发不会造成影响；传输距离长，支持远距离传输信号，光信号衰减小，通信距离可达数公里；传输速度快，采用以光纤为介质的现场总线连接，传输速度得到较大提升，保持了各机站通风机的实时性。

1.2 风机可调速

采用变频器对风机进行控制，舍弃了调节麻烦且成本高昂的风门调节，可以对电机的速度及转向进行实时控制，实现了风量的无级调节及事故反风。配合变频器的高效率高功率因数及调速特性，可以实现可观的节能降耗效果；并且能实现风机顺桨状态启动时的软启动，以延长设备寿命。

1.3 数据量多

可以实时监测电机电流、电压、频率、功率、温度、变频器温度、等大量的数据，还可以计量电度；但是集中控制方式带来的问题也很多。

(1)网络可靠性对整个系统稳定运行起决定性作用：为了提高数据实时性，采用了现场总线方式连接各个子站，无法形成环网结构，一旦通信光缆损坏(即光纤网络发生故障通信丢失)就意味着断点后所有子站都会离线。同时由于采用现场总线，子站与中控PLC断开还有风机停机的风险。这时候就需要维护人员到达偏远的现场就地启动风机来保证正常生产，虽然此故障信号可以在集控室监测到，但恢复风机运行将耗费巨大的时间，期间伴随风机因失去主机控制而停机的风险，后果不堪设想。

(2)扩展性差：同样是因为采用了现场总现方式连接各个子站，当需要增减风机子站的时候都需要更改系统硬件配置，就必然需要对整个通风系统做停机之后才可以操作，还必须在硬件添加后做子站的编程调试工作，这势必影响生产及增加系统维护的复杂程度。

(3)建设成本较高，通常PLC和现场设备的通信使用现场总线协议是以双绞线或者其他通信电缆方式连接。而通信电缆的传输距离较近，势必需要用到光电转换设备才能使用光纤作为远程传输介质。不同于以太网的光纤设备，支持现有现场总线协议的工业用光电转换设备往往价格高昂，按每个子站需一台的数量进行配置的话，将在总投资中占有很大的比例。

2 分布式远程控制系统特点

相对于集中控制方式，如何提高系统可靠性，最大化在使用过程中的安全性就成为新一代矿山通风远程控制系统的主要目标。为了实现上述目标，克服集中控制方式在应用中存在的问题，分布式控制应运而生，见图2，该系统有如下特点：

图2 分布式风机控制系统结构框图Fig.2 Structure block diagram of distributed fan control system

2.1 环网系统提高网络可靠性高

井下环境复杂，光纤以其抗干扰能力强、有效传输距离长、速度快的特点成为井下通讯的必然选择。但光纤又因其较为脆弱的特性，即使做好敷设线路选择及相应的保护也难免会发生损坏，一旦损坏必然导致通信断线的情况。采用集中式控制的系统一旦发生通信丢失，变频器将直接停机，这给井下环境带来了巨大的安全隐患。相较于采用现场总线的集中控制方式，分布控制方式可以采用能方便的工业以太网组成光纤环网。环网的优势在于，当环网内一处发生断线故障后，网络信号可以自动切换为另一个方向继续传输，保证数据稳定。且可以通过增加光纤敷设线路的方式，轻松的做到多环网冗余。

2.2 网络建设成本低

相较于集中控制方式需采用昂贵的现场总线光电转换器组网，以太网光电交换机的价格相对低廉，可以省下不小的投资。

2.3 离线运行提高系统稳定性

分布控制方式采用子站分散布置、主站集中控制的方式，主站只负责控制命令的下发、子站数据的汇总及子站通信状态的诊断，具体控制逻辑都在分站上运算完成，一旦通信光纤出现问题，子站将运行在之前状态，不会因丢失主站控制命令而停机，甚至及时在断线期间某部分出现故障，例如变频器故障，也可以依据设定好的程序，自动切换为旁路运行。提高了系统可靠性、安全性的同时降低了人工维护成本。

2.4 风机全状态运行增加系统适应性

变频器的节能效果已经得到广泛认可，但井下环境恶劣，高湿度，高温度高粉尘都对变频器的可靠性提出了极大的考验。得益于子站分散布置、主站集中控制。具体控制逻辑都在分站上完成运算，不会因丢失主站控制命令而停机的特性。为了在变频器故障时依然可以保证通风量，进而保证井下人员安全，本系统除了可以变频器驱动外，还提供了旁路直接驱动方式作为变频器故障时的后边措施作为冗余，并且可以在无视主站通讯是否正常的情况下进行变频器故障后直接切换到旁路运行，并生成就地报警信息，巡查人员可在通讯恢复后或者巡查到风机点时及时发现并加以处理。从而大大提升了系统的安全性和可靠性。

2.5 简化硬件设计提高扩展性高

比起集中控制方式需要停机修改基础硬件配置才能添加新的子站，分布控制方式因采用模块化设计每个子站使用相同的软硬件配置，将编程量大大缩减为原来的1/3，同时由于其离线运行的特性，可以在系统不停机的情况下方便的添加子站。而且，添加的新子站在可以在做好调试后再并网进入系统，添加后即可直接运行，不需要像集中控制方式的子站一样再重复调试程序。大大节省了时间，降低了成本，方便了系统扩展。

3 系统设计

基于系统的功能和需求，结合矿山现场的环境特点和运行习惯，分布式远程控制系统一般分为人机界面；主站控制系统；子站控制系统；网络通信系统。下面就每个分系统的设计做简单介绍。

3.1 人机界面系统

该系统主要实现操作人员与控制系统的沟通，控制指令的下发和运行状态、运行数据的显示、报警的显示等。力求操作逻辑清晰，功能按键简单明了，数据显示简洁醒目，报警信息及时等要求。

人机界面采用Wonderware公司的上位机监控软件Intouch进行组态开发，可以通过鼠标点击来控制风机的启动停止，各种状态都可以进行实时监控，并且所有操作及数据历史记录都存储在电脑中，方便事故查询和查看运行状况，见图3。

图3 人机界面主视图Fig.3 Main view of human machine interface

人机界面电脑通过以太网线与主站控制系统连接，在屏上进行监控和操作。通过人机界面，可以了解各风机子站内的设备运行状态，随时监控温度，电压，电流等参数及附属设备的运行状态；同时还可了解各子站与主机间的网络状况，各子站设备间通信状态等；可以对系统内的每一台设备进行独立控制，以单独检测各台设备的运行状况。同时为了适应不同地点、环境条件下风机的合理运转，可以在变频模式下进行转速的设置。为了方便故障的排查，还提供了操作状态汇总、故障状态汇总及运行状态汇总。

3.2 主站控制系统

作为整合各个子站数据、联通现场设备与人机界面的中枢，主站控制系统是整个控制系统的核心，其功能性与可靠性是系统稳定易用的保证。

3.2.1 主站系统硬件结构

为了适应系统需求，主站硬件构成如下：

(1)网络通信模块：使用以太网光纤交换机，具备千兆光纤接入能力，以应对远程通信需要。具备若干个千兆以太网电口，方便连接控制器，及人机界面电脑。

(2)控制器模块：具备以太网口，方便与其他设备通信，特别是连接网络通信模块。具有存储和可编程功能，以实现主站对子站控制命令的下发，接收子站运行数据及状态。一般使用可编程逻辑控制器PLC来完成这一工作。

(3)不间断电源模块：使用一台在线式不间断电源给主站控制器及人机界面电脑供电，以保证设备的安全可靠运行，减少意外断电情况对系统的冲击。

主站系统硬件框图见图4。

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图4 主站系统硬件框图Fig.4 Hardware block diagram of master station system

3.2.2 主站系统程序结构

主站程序主要负责与上位人机界面的数据传输，及对子站命令的下发和运行参数的接收，主要由一些整体调用的通信处理子程序构成，编程量较少，构成如下：

(1)控制逻辑主程序：包整个系统运行逻辑的主要程序功能。

(2)网络通信模块：通过控制器标准S7通信控制程序，与子站进行数据交换。

(3)通信质量诊断模块：通过统计汇总通信控制程序反馈的运行数据，根据时间汇总算法判断各个子站当前的通信状态，并提供通信异常报警。

(4)上位人机界面服务模块：通过控制器标准上位机数据采集接口程序，为主站控制器与人机界面电脑提供数据交换服务。

图5 主站系统程序框图Fig.5 Program block diagram of master station system

3.3 子站控制系统

为了满足控制系统离线运行时对风机的控制，及简化硬件设计的需求，一个可以广泛适应现场需求的标准化的子站设计势在必行。

3.3.1 子站系统硬件结构

为了适应现场需求，子站应具备以下部分：

(1)网络通信模块：具备千兆光纤接入能力，以应对远程通信需要。具备若干个千兆以太网电口，方便连接控制器。一般使用以太网光纤交换机。

(2)控制器模块：具备以太网口，方便与其他设备通信，特别是连接网络通信模块。具有存储和可编程功能，以实现对主站控制命令的逻辑运算与反馈子站运行数据及状态给主站。配备通用型的通信接口，方便与变频器等设备通信实现控制与数据读取，同时还可以读取现场传感器的数据。拥有通用输入输出接口，以便与执行机构连接执行相应命令。一般使用可编程逻辑控制器PLC来实现。

(3)执行模块：包含电力仪表，变频器及旁路启动电路，以满足风机就地、远程、变频、旁路、正转、反转等多状态运行的需要。甚至是电动风门的控制器也可以一并集成其中。可通过电力仪表检测风机电机运行的电参数，同时具备声光报警功能，在启动，故障等关键节点发出警告，提高安全性。

该模块功能多、连锁复杂、运行电流大、动作频繁，除变频器可根据风机大小选用现成设备外，一般没有现成设备可以直接选用，需专门按成套电控柜设计。

(4)传感器系统：负责收集风机运行所必须的环境数据，如空气温度、风速、一氧化碳含量、湿度等数据，为系统运行的记录、决策、效能提供依据。需按照实际物理量来选择合适的设备，以满足测量和可靠性要求。

子站系统硬件框图见图6。

图6 子站系统硬件框图Fig.6 Hardware block diagram of sub-station system

3.3.2 子站系统程序设计

系统程序秉承为硬件服务的原则，相应也采用的是单元化模块化的设计思路，各个子站间除通信参数外完全相同。具有可复制性，具体构成如下。

(1)控制逻辑主程序：包整个子站的运行逻辑的主要程序功能。含变频器及旁路启动电路的控制逻辑，以满足风机就地、远程、变频、旁路、正转、反转等运行状态的全状态运行的需要。同时包含声光报警的控制逻辑，在启动，故障等关键节点发出警告，提高设备运行安全性。

(2)设备通信控制程序：完成变频器及传感器系统的总线数据通信，包括总线参数初始化、总线地址轮询，总线数据命令下发、各地址通信故障上报及诊断、总线设备返回数据预处理等。

(3)执行器模块控制程序：将控制逻辑主程序的指令直接转换为输入输出接口可以执行的机器语言，供其执行，以控制外部设备。

(4)与主站通信接口程序：直接发送未经加工和统一的数据将极大的占用数据带宽，同时增加主机运行负担及编程调试工作量。于是采用此程序，将子站采集和运行中产生的数据需经过处理后，按照约定的固定格式发送给主机处理。将大大减少延时及主机运行负荷。

子程序系统框图见图7。

图7 子站系统程序框图Fig.7 Program block diagram of sub-station system

有了这样一套泛用性极高的风机控制子站系统，就能通过简单的增减配置，实现从小型矿山到大型矿山的分布式通风远程控制系统适配，而免除了大量的设计调试工作，既缩短了设计开发周期、建设周期，又为使用单位节省了经费，为系统集成商扩大了利润空间。

4 结 语

分布控制方式作为集中控制方式在通风远程控制系统中的升级迭代，解决了集中式控制诸如通信网络可靠性差，部署复杂，扩展性差，建设成本较高等问题，提高了系统的稳定性，降低了维护难度与使用成本。其具有的诸多优势是集中控制方式很好的替代。

通风远程控制系统作为井下通风系统的神经中枢，在保证生产安全，提高效率，节省人力方面有着卓越的贡献。而其本身也因全社会技术的快速进步随时在进行快速迭代，一套高效可靠、部署灵活的通风远程控制系统能在当下为井下通风安全保驾护航。随着矿山建设的进行，还能为企业节省设备投资与人力投入。丰富的数据与可靠的通信链路也为即将到来的大数据、5G+做好了底层硬件准备，为将来的智能数字矿山、智能通风系统打下坚实的基础。