基于远程控制的井下通风系统研究

李敬儒，严 旭

（河钢集团矿业有限公司石人沟铁矿，河北唐山 064200）

0 引言

矿井通风是直接影响矿井生产力的重要因素，矿井通风的质量直接关系到井下工作人员的生命安全与身体健康；矿井通风系统的稳定关系到井下有害气体浓度；矿井通风的能力决定了矿井的生产能力；矿井通风的优劣决定井下环境的级别。所以对井下通风系统展开研究具有重要的现实意义。李磊[1]对矿井通风系统减阻进行分析研究，对矿井通风系统的组成和结构进行简单介绍的基础上，重点分析了通风阻力在煤矿生产作业中增加的原因，总结了矿井通风系统减阻的有效措施；刘江妮、兰桂斌[2]对矿井通风防尘展开研究，详细阐述了井下通风系统的防尘措施；张靖昊[3]对煤矿矿井通风瓦斯的防治措施展开探析，主要包括进行风量的合理分配、减少巷道的漏风、做好上隅角处的通风和进行通风网络优化。以上专家学者对井下通风系统的减阻、防尘、防瓦斯等方面展开详细研究，但对井下通风系统的远程控制研究还存在一定空白。本文基于远程控制对井下通风系统展开研究，从井下风机的控制方面提升井下通风的安全性、稳定性。

1 石人沟铁矿概况

河北钢铁集团矿业有限公司石人沟铁矿位于河北省遵化市兴旺寨乡，2001 年7 月由露天开采转入地下开采。井下开采设备设施包括南、北风井（包括配套风机）、二级站、水泵房、井下中央变电所、竖井提升、斜坡道、调度室、服务器机房等。井下通风采用南、北两翼抽出式三级通风方式，一级站位于-180 m 中段各穿脉内，有5 台11 kW 轴流风机，启动柜采用直接启动；二级风站位于-60 m 中段总回风巷南、北两端，北二级站有2 台110 kW 轴流风机，采用变频驱动；南二级站有1 台132 kW 轴流风机，采用自耦降压启动；三级风站设置于地表南、北回风井上部，各有两组对旋式风机。石人沟铁矿秉承国家安全监管总局确定的3 年“机械化换人、自动化减人”目标[4]，计划应用远程控制井下通风系统，从传统控制方式转变为自动化、无人化的远程控制方式。具体机站风机配置见表1。

表1 机站风机配置

2 井下通风系统

2.1 系统设备选型

井下通风系统的设备主要包括PLC 控制器、传感器、触摸屏、变频器和接触器具体设备选型见表2[5]。

表2 系统设备选型

2.2 系统控制方式

2.2.1 控制原理

石人沟铁矿的井下通风系统控制方式为独立PLC 控制方式，各风机站风机均独立配备一套小型PLC 控制柜，PLC控制柜中的配套设备包括表2 中的设备。在系统运行过程中，S7-200 CPU226 模块做为核心控制部分，扩展EM231 RTD 模块，控制电机轴承温度、风压、风速等信号，扩展EM231 AI4×12Bit模块，用于监测电机振动信号。PLC 将从变频器读取的数据再通过通信端口传送到触摸屏组态画面，进行显示及故障报警；同时，触摸屏可以对变频器进行频率设定，进而完成系统控制闭环[6]。

2.2.2 接线方式

PLC 集中控制柜接线如图1 所示。

图1 PLC 集中控制柜接线

2.2.3 控制优势

独立PLC 控制方式具有显著的应用优势，具体如下：①独立PLC 控制更有利于风机的连续运行，风机不易受通信中断、通信故障的影响；②独立PLC 控制能够实现通信指令的物理隔离，具有天然的可靠性优势；③独立PLC 控制在进行风机调试时可以逐个进行，单一风机占用或风机故障不会影响其他风机的运行，并且可以随时接入通信网络；④独立PLC 控制使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；⑤独立PLC 控制的系统连续性和系统容错性较高，维护成本和维护难度较低。

3 远程通信的具体实现方式

3.1 工业以太网

3.1.1 通信标准

石人沟铁矿的井下通风系统主要通过光纤网络和工业以太网实现远程通信，其中光纤网络的性能和应用方式较为常见。工业以太网选择使用Profinet 标准，虽然采用的是国际国际标准IEC 61784，但并不符合标准以太网的IEEE 802.3U 标准，与普通以太网具有较大区别，主要区别在于通信标准不同。Profinet 划分为V1、V2、V3，一般称为Profinet CBA、Profinet IO 和Profinet IRT，也就是通过以太网来实现对等通信、实时控制和运动控制。其中V1 采用TCP/IP 协议，是标准的以太网，而V2 和V3 不采用TCP/IP 协议，这两种都绕过TCP/IP 协议，采用另外的网络层和传输层协议。

3.1.2 工业以太网构成

主操作台下显示器通信设备，有两块CMT-HD 控制设备用于显示器与网络的通信接口，一块2 光6 电网络光纤交换机，用于接收和发送信号，每台通信机柜中装有12 口光纤ODF 配线架，用于光缆固定、光缆终接及调线用，每台通信机柜中装有以太网交换机。

3.2 网络拓扑方案

远程通信的网络拓扑方案共有3 种，分别是双环形拓扑、主环分线形拓扑、主环分星形拓扑，其中双环形拓扑的主干网络和分支网络均采用环形设置；主环分线形拓扑的主干网络采用环形设置，分支网络采用线形设置；主环分星形拓扑的主干网络采用环形设置，分支网络采用星形设置。3 种网络拓扑方案的对比见表3。

表3 网络拓扑对比

根据表3 可知，双环形拓扑的可靠性最高、建设成本最高、施工难度最大、维护难度最高；主环分线形拓扑的可靠性最低、建设成本最低、施工难度最低、维护难度中等；主环分星形拓扑的可靠性最中等、建设成本中等、施工难度中等、维护难度较低。考虑网络稳定性、可靠性、经济性的兼顾，系统选择使用主环分星形拓扑方案。

3.3 通信IP 地址

为提升远程通信的准确性和稳定性，系统采取复合使用通信IP 地址的方式，为光纤网络传输的信息增加具体IP 地址，以便系统能够识别各风站的具体部位，具体通信IP 地址见表4。

表4 通信IP 地址

4 系统功能检验

基于远程控制的井下通风系统搭建完成后，对该系统功能进行检验，测试系统的可行性、应用性和功能性。井下通风系统能够实现对各风站的独立控制、统一管理、运行状态监控、自动化调整等功能。系统对风机的监控属于可视化监控，监控内容包括风机运行状态、运行频率、运行电压、运行电流、电机振动、负荷端温度、非负荷端温度等。此外还能实现多项控制功能，具体如下：

（1）系统设置中可以选择两种操作模式，分别是矿井控制和上位机控制。当切换到矿井控制时，矿井下的操作人员能过获得风机控制权，并通过威纶通触摸屏进行控制；当切换到上位机控制时，地上操作人员获得风机控制权，通过控制中心的终端设备进行控制。矿井需要根据实际情况设置操作模式的优先级，石人沟铁矿的矿井均将上位机控制设置为第一优先级。

（2）当系统以地下控制为主时，矿井内的操作人员可以使用威纶通触摸屏掌握风机的实时运行参数，包括电流、转速、风量、风压等。该触摸屏可以脱离PLC 控制系统使用，具有相对独立性。所以在PLC 控制系统出现故障时，威纶通触摸屏仍然能准确的显示运行数据。威纶通触摸屏界面如图2所示。

图2 威纶通触摸屏界面

（3）系统具有故障警报功能，工作人员可以根据矿井规模、运行数据设置风机运行参数阈值，当运行参数超过阈值范围时，系统会自动向控制终端设备发送报警信号和故障信息，提醒工作人员进行调整。

（4）系统的通信传输主要使用光纤网络（光纤介质和工业以太网）和通信IP 地址，既能够实现矿区的网络通信全覆盖，又具备较强的传输准确性。

（5）系统的主要操作集中在上位机中，地上操作人员可以根据上位机的显示界面对风机下达操作指令，包括风机启动、风机停止、风速调节、风机反转等。

（6）系统的地下控制中包括紧急制动按钮，在维修人员检修风机时，风机受电路波动影响自动启动，会对维修人员的安全造成严重威胁。所以当风机自启动时，维修人员可以通过紧急制动按钮保护自己。

（7）为提升操作人员的控制能力，系统除主要功能外，集成了以下附属控制功能：①通过I/O 模块实现对风机变频器的启停、正反转、急停控制；②能对变电所或变频柜内烟雾传感器信号实时监测；③能实时调取相关配电室视频监控；④对电机绕组温度、电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；⑤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；⑥可设置风机变频器最大允许调节频率；⑦上位机监控系统与PLC 进行数据通信，具备人机交互及显示功能；⑧上位机监控系统控制风机变频器柜的分合闸；⑨显示、记录所监测的各个温度，提供历史数据的查询；⑩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。

5 结束语

结合石人沟铁矿井下通风系统实例，对系统构成和远程通信、控制展开研究，对井下通风系统和系统远程通信的实现进行分析，并根据系统实现功能验证井下通风系统远程控制功能的实用性、完备性和功能性。说明石人沟铁矿在应用基于远程控制的井下通风系统后，不仅能够在上位机实现远程控制井下风机启停、正反转、紧急制动、复位等动作，还能对井下通风情况进行监控、故障报警、故障检测等功能，从根本上增强了设备的安全性能，达到设计预期效果。