高連月 徐德亮 周雨松 陳 思
(1.中鋼集團安徽劉塘坊礦業(yè)有限公司,安徽 霍邱 237471;2.西安利雅得電氣股份有限公司,陜西 西安 710075;3.安徽省金建工程技術(shù)有限公司,安徽 馬鞍山 243000)
金屬礦山礦井通風(fēng)系統(tǒng)利用主扇風(fēng)機提供動力,不斷地從地面向井下供給新鮮空氣,并將工作中產(chǎn)生的炮煙、粉塵等有毒有害氣體及時排出[1],保障井下工人安全和身體健康。計算機和自動化技術(shù)的發(fā)展有力地推動了礦井通風(fēng)的智能化、自動化。計算機遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)由礦井通風(fēng)智能、自動控制的原理、關(guān)鍵技術(shù)及其系統(tǒng)組成。以“按需供風(fēng)”理念,將井下氣候條件參數(shù)信息采集處理技術(shù)、控制技術(shù)與通風(fēng)系統(tǒng)有機融合,根據(jù)井下作業(yè)情況,對井下通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機實時遠程集中控制,滿足通風(fēng)安全要求的同時節(jié)省能耗。以劉塘坊鐵礦井下主通風(fēng)機自動化控制為實例,提出了礦井實時調(diào)控模型,設(shè)計集成了礦井空氣條件參數(shù)采集、高效可靠信息傳輸、通風(fēng)狀態(tài)智能分析與決策、通風(fēng)設(shè)施/動力智能調(diào)控,實現(xiàn)了井下通風(fēng)系統(tǒng)無人值守、地表遠程操作及遠程監(jiān)控,礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)功能,增強井下通風(fēng)設(shè)備安全運行的可靠性和經(jīng)濟性。
近年來,礦山開采向智能化、自動化方向轉(zhuǎn)型發(fā)展。我國科研人員對金屬礦山通風(fēng)監(jiān)控技術(shù)研究始于2000年,梅山鐵礦實現(xiàn)了地表調(diào)度室對井下7個機站21臺風(fēng)機遠程集中控制[2],北銘河鐵礦、冬瓜山銅礦、三山島金礦等礦山相繼建立了通風(fēng)系統(tǒng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)。目前,通風(fēng)監(jiān)測監(jiān)控已成為金屬礦山“六大系統(tǒng)”建設(shè)的重要的內(nèi)容之一[3],自動化監(jiān)控全礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)參數(shù),實現(xiàn)了礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)和主要通風(fēng)機工況控制模擬解算、通風(fēng)構(gòu)筑物自動控制和遠程控制、主通風(fēng)機自動無級調(diào)節(jié)、一鍵式操作以及無人值守。
以往研究成果主要從礦井通風(fēng)遠程集中控制的系統(tǒng)組成、數(shù)據(jù)采集等開展了局部研究。本文根據(jù)劉塘坊鐵礦井下通風(fēng)系統(tǒng)實施的遠程實時控制要求,圍繞礦井通風(fēng)智能實時調(diào)控的原理,建立了礦井智能通風(fēng)的控風(fēng)模型,論述了礦井實時智能通風(fēng)構(gòu)建,完成了該金屬礦山井下環(huán)境實時調(diào)控技術(shù)。
井下環(huán)境空氣參數(shù)監(jiān)測傳感技術(shù)及裝備組成礦井智能調(diào)控的信息采集系統(tǒng),基于風(fēng)網(wǎng)信息監(jiān)測傳感技術(shù),通過風(fēng)速風(fēng)壓傳感器、有害氣體傳感器、風(fēng)機運行狀態(tài)及構(gòu)筑物狀態(tài)傳感器等快速準確獲取井下空氣參數(shù),通訊網(wǎng)路傳輸傳至工控機信息反饋系統(tǒng),經(jīng)控制軟件的識別分析,在線檢測的井下環(huán)境空氣參數(shù)與金屬非金屬安全規(guī)程規(guī)定限值比對,通過光纜、中繼器等組成通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)叫畔⒎答佅到y(tǒng),主扇風(fēng)機、風(fēng)門執(zhí)行器按指令運行狀態(tài),由工業(yè)控制機動態(tài)顯示,實現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的實時反饋,如圖1所示。監(jiān)控參數(shù)主要是風(fēng)速(風(fēng)量)、風(fēng)壓、溫濕度、有害氣體濃度以及主風(fēng)機、風(fēng)門狀態(tài)等。劉塘坊鐵礦井下環(huán)境監(jiān)控參數(shù)傳感器布置在-400 m和-500 m水平進風(fēng)巷、回風(fēng)巷,-400 m水平風(fēng)門、風(fēng)機站及風(fēng)門等,共設(shè)置監(jiān)測站點12個。根據(jù)卡曼原理開發(fā)的一種智能型風(fēng)速傳感器,可以檢測礦井下各種巷道、風(fēng)口處的風(fēng)速,并能通過遙控器進行現(xiàn)場調(diào)整。風(fēng)壓傳感器用于連續(xù)測量礦井下的負壓,具有多種標準信號制式輸出,聯(lián)檢后能與生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)配套使用。
井下通風(fēng)設(shè)備設(shè)施主要指主通風(fēng)機、風(fēng)門等,通風(fēng)設(shè)備設(shè)施調(diào)控是把系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測結(jié)果反饋到工業(yè)控制機,通過軟件識別分析與標準的比對情況,發(fā)布指令驅(qū)動通風(fēng)設(shè)備設(shè)施運行。井下各采區(qū)安裝環(huán)境參數(shù)監(jiān)測傳感器,通過各區(qū)域控制系統(tǒng)反饋給各區(qū)域的通風(fēng)設(shè)備設(shè)施,經(jīng)過現(xiàn)場各實測數(shù)據(jù)系統(tǒng)自動計算所需風(fēng)量反饋到工業(yè)控制機并相互印證。井下通風(fēng)設(shè)施狀態(tài)的變化涉及通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量重新分配,由通風(fēng)計算軟件及時反映在各區(qū)域的通風(fēng)控制系統(tǒng)中,形成閉路循環(huán),見圖2。
采區(qū)通風(fēng)調(diào)節(jié)多采用風(fēng)門,風(fēng)門執(zhí)行器使用0~10 V模擬量調(diào)節(jié)信號,0~10 V信號對應(yīng)0~90°的轉(zhuǎn)角。執(zhí)行器角度反饋對應(yīng)于0~10 V信號,通過模擬量采集模塊采集供給上位機。模擬量輸出模塊將模擬信號傳遞給風(fēng)門執(zhí)行器后,風(fēng)門執(zhí)行器調(diào)節(jié)風(fēng)門角度,從而改變巷道的有效過風(fēng)斷面積,據(jù)此得到不同巷道風(fēng)速(風(fēng)量),最終達到對不同區(qū)域的需風(fēng)量參數(shù)調(diào)控。
礦井主通風(fēng)機控制系統(tǒng)采用“變頻器+PLC控制+遠程監(jiān)控”的模式。通過1臺變頻器為風(fēng)機電機供電,每臺變頻器拖動1臺風(fēng)機的電機。配備了2套PLC控制系統(tǒng),實現(xiàn)風(fēng)機的自動控制和參數(shù)監(jiān)測。利用高精度的差壓、負壓傳感器,依靠PLC高速的數(shù)據(jù)處理能力,實現(xiàn)風(fēng)量的準確計算;實現(xiàn)風(fēng)機的自動控制及運行參數(shù)(風(fēng)量、負壓、電流、電壓、振動、溫度等)的在線監(jiān)測;配備綜合保護裝置或利用硬件接口實現(xiàn)與PLC控制系統(tǒng)的連接,能為PLC控制系統(tǒng)提供必要的參數(shù)和狀態(tài),同時也能接受PLC的分合控制。
該系統(tǒng)以西門子S7-300 PLC及西門子G130變頻器為控制核心,主要包含風(fēng)機風(fēng)速、負壓、振動、溫度等實時監(jiān)測系統(tǒng),風(fēng)機就地/遠程控制系統(tǒng)。按照預(yù)編程序,并結(jié)合井下實際的風(fēng)量需求,主要完成對風(fēng)機的啟停、變頻及反風(fēng)控制,以及對風(fēng)機運行狀態(tài)如風(fēng)速、負壓、溫度等實行在線監(jiān)測、顯示、控制、保護、報警、記錄和管理,從而實現(xiàn)風(fēng)機運行的遠程自動化控制、監(jiān)視和管理。通過井下各水平井口風(fēng)速傳感器、采場CO傳感器及NO2傳感器反饋數(shù)據(jù)及主扇風(fēng)機的各運行參數(shù),在井上集控中心遠程控制主扇風(fēng)機運行[4],調(diào)節(jié)風(fēng)機風(fēng)速,如圖3所示。
監(jiān)控系統(tǒng)采用1臺遠程上位集控計算機和1臺監(jiān)視計算機,實現(xiàn)遠程控制與監(jiān)視通風(fēng)機和風(fēng)門運行狀態(tài)信息。上位機監(jiān)控平臺選用西門子Wincc軟件,該軟件具有豐富良好的性能,具有模塊化功能和線性化結(jié)構(gòu),注釋完整齊全,并附有輔助圖表說明。Wincc監(jiān)控軟件支持OPC開放式互聯(lián)協(xié)議,方便礦井綜合信息系統(tǒng)的具體實施。整個系統(tǒng)通過光纖與井下風(fēng)門、風(fēng)機控制系統(tǒng)聯(lián)接在一起。
遠程控制系統(tǒng)的工作方式如下:
(1)本地控制。當PLC或系統(tǒng)出現(xiàn)故障不能進行遠程控制時,可以本地啟動操作風(fēng)門、主扇風(fēng)機。
(2)遠程控制。集控室操作人員根據(jù)井下所需風(fēng)量實時調(diào)節(jié)風(fēng)機風(fēng)速并控制風(fēng)機的啟停。
(3)變頻調(diào)控。根據(jù)井下監(jiān)測數(shù)據(jù)對風(fēng)門、主扇風(fēng)機實時變頻調(diào)節(jié)。
2.2.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
(1)變頻調(diào)速系統(tǒng)。變頻調(diào)速系統(tǒng)由2臺600 mm×2 200 mm×1 200 mm(寬×高×深)柜體組成,主要包括主回路進線開關(guān)、進線熔斷器、接地保護檢測系統(tǒng)、進線電抗器、變頻功率單元、變頻控制器、出線電抗器等。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。SINAMICS G130變頻器主要由2個獨立的模塊部件功率單元和控制單元組成,變頻器整體構(gòu)成如圖5所示。
(2)PLC控制及風(fēng)機在線檢測系統(tǒng)。PLC控制及風(fēng)機在線檢測系統(tǒng)由1臺800 mm×2 200 mm×1 200 mm(寬×高×深)柜體組成,主要設(shè)備有控制PLC、UPS電源、檢測傳感器、光口交換機、繼電器、按鈕及指示燈等。所控制對象主要為主扇風(fēng)機、風(fēng)門,分布在礦井中不同的中段,通風(fēng)機采用變頻調(diào)速裝置,調(diào)節(jié)風(fēng)門裝置。
(3)風(fēng)機遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)采用1臺遠程上位集控計算機,實現(xiàn)遠程控制與監(jiān)視風(fēng)門、通風(fēng)機運行狀態(tài)信息。上位機監(jiān)控平臺選用西門子Wincc軟件,該軟件具有豐富良好的性能,模塊化功能和線性化結(jié)構(gòu),注釋完整齊全,并附有輔助圖表說明[4]。Wincc監(jiān)控軟件支持OPC開放式互聯(lián)協(xié)議,方便礦井綜合信息系統(tǒng)的具體實施。整個系統(tǒng)通過光纖與井下風(fēng)機控制系統(tǒng)聯(lián)接在一起。
(4)輔助視頻監(jiān)控系統(tǒng)。輔助視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由-400 m主扇區(qū)域、-500 m主扇區(qū)域等部分組成,在相應(yīng)局域配置對應(yīng)的攝像機及輔助控制箱等,由網(wǎng)絡(luò)交換機及光電收發(fā)器,通過光纖傳輸?shù)郊厥?,通過視頻TCP/IP網(wǎng)絡(luò)融入集中視頻管理系統(tǒng),從而實現(xiàn)在集控室監(jiān)控該區(qū)域前端的所有網(wǎng)絡(luò)攝像機,可實現(xiàn)分組管理和控制,并能夠?qū)崟r存儲前端的視頻數(shù)據(jù)。
2.2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
CU320-2 DP和安裝在CompactFlash卡上的驅(qū)動軟件共同組成了一套控制單元,并提供相應(yīng)的接口,其中CU320-2 DP控制單元可以執(zhí)行變頻裝置的通訊、開環(huán)和閉環(huán)控制功能。CompactFlash卡插到CU320-2DP插槽中,可以快速更換。
在該控制系統(tǒng)中,利用Wincc組態(tài)軟件實現(xiàn)上位機監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計。Wincc組態(tài)軟件的優(yōu)點在于其具有良好的開放性和靈活性[5]。Wincc組態(tài)畫面以三維動畫形態(tài)模擬風(fēng)門、風(fēng)機的運行情況,可以實時顯示高壓開關(guān)柜及風(fēng)機變頻柜的分合閘狀態(tài)、井下風(fēng)速、CO濃度、NO2濃度;組態(tài)畫面還可以顯示電動機電流、電壓、有功、無功、頻率、功率因數(shù)、軸承電機溫度、振動及裝置轉(zhuǎn)速。通過Wincc軟件自動記錄故障類型及故障的發(fā)生時間等歷史數(shù)據(jù),自動建立數(shù)據(jù)庫,對于重要的通風(fēng)工藝參數(shù)、電氣參數(shù)自動生成趨勢曲線,如發(fā)生故障報警時,監(jiān)控屏幕會彈出報警畫面,同時具備智能化信息語音提示和故障語音報警功能,如圖6所示。
2.2.3 系統(tǒng)的通信設(shè)計
PLC控制系統(tǒng)通過CP343通訊模塊將SIMATIC S7-300連接到工業(yè)以太網(wǎng),具有10/100 Mbps全/半雙工傳輸,自適應(yīng)功能,采用RJ45接口通過網(wǎng)線與MOXA工業(yè)交換機進行連接,通過光纖與地面集控數(shù)據(jù)中心進行連接;地表管理人員可經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)通過集控中心上位機對井下主扇風(fēng)機進行遠程調(diào)速控制,從而實現(xiàn)對井下主扇風(fēng)機的遠程控制。
該遠程控制系統(tǒng)應(yīng)用上位機對主扇風(fēng)機工作狀態(tài)進行監(jiān)測、顯示、報警及其他管理,其主要功能:
(1)遠程啟、停、調(diào)速功能。系統(tǒng)按照預(yù)編程序可對主扇風(fēng)機進行遠程啟停控制,并根據(jù)井下生產(chǎn)情況,對風(fēng)機進行調(diào)速,實現(xiàn)節(jié)能經(jīng)濟運行。
(2)監(jiān)測參數(shù)實時顯示功能。監(jiān)控界面可顯示以下參數(shù):電機繞組溫度、軸承前后端溫度、風(fēng)量、風(fēng)壓、電氣參數(shù)(供電電壓、運行電流、運行頻率、有功功率、功率因數(shù)),并顯示故障檢測(變頻器故障,電機過流等)結(jié)果及處理(如:緊急停車或自動重啟)情況。
(3)運行曲線、報表統(tǒng)計功能。通過建立數(shù)據(jù)庫,對重要運行參數(shù)生成趨勢曲線和數(shù)據(jù)報表,并提供查詢功能。各種報表參數(shù)均儲存在硬盤中,可隨時進行報表打印,便于管理部門進行數(shù)據(jù)分析,及時掌控設(shè)備的運行狀況(圖7)。
(4)視頻監(jiān)控功能。整個視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由-400 m主扇區(qū)域及-500 m主扇區(qū)域2部分組成,在各區(qū)域配置對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)攝像機及輔助控制箱,由網(wǎng)絡(luò)交換機及光電收發(fā)器,通過光纖傳輸至井上集控中心,通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)融入集控中心視頻管理系統(tǒng),從而實現(xiàn)監(jiān)控后臺對風(fēng)機站內(nèi)高壓柜、電控柜及主扇風(fēng)機運行狀況的實時監(jiān)控,視頻監(jiān)控系統(tǒng)配置見圖8。
(5)主要保護功能。①由于井下主扇風(fēng)機每天24 h運行不停歇,當風(fēng)機軸承溫度、電機軸承溫度、電機定子溫度超出預(yù)編程序內(nèi)設(shè)置的保護值時啟動超溫保護,可實現(xiàn)溫度超溫報警,根據(jù)溫度高低可自動實現(xiàn)風(fēng)機停止運轉(zhuǎn)[6];②根據(jù)電機運行情況,在電機水平方向和垂直方向安裝振動傳感器,可實時測量電機水平方向和垂直方向的振動情況,可保護電機的正常運轉(zhuǎn);③通過總電流監(jiān)視器,可及時檢測到輸出側(cè)的接地故障,并關(guān)斷接地中性線系統(tǒng);④可檢測到輸出側(cè)的短路(變頻器輸出端子上、電機電纜中、電機接線盒內(nèi)等)保護,并關(guān)斷變頻器;⑤在超出過熱閾值時,首先發(fā)出一條報警消息,如果溫度繼續(xù)上升,變頻器就會自動關(guān)斷,或可以分別調(diào)整脈沖頻率或輸出電流,以降低熱負荷熱過載保護,故障消除之后(如改善冷卻)會自動恢復(fù)原始工作參數(shù)。
劉塘坊鐵礦設(shè)計規(guī)模為生產(chǎn)原礦石150萬t/a,開拓系統(tǒng)由主井、1#副井、2#副井和北風(fēng)井組成。設(shè)計礦井總風(fēng)量為218 m3/s,新鮮風(fēng)流從1#副井及2#副井進入,首先經(jīng)過運輸巷及穿脈巷,再通過人行通風(fēng)天井進入采場,完成工作面的洗涮之后,污風(fēng)經(jīng)回風(fēng)天井到達回風(fēng)水平,最后由回風(fēng)井排出[7]。通風(fēng)系統(tǒng)采用多機站抽出式通風(fēng),綜合考慮劉塘坊鐵礦壓力分布及采場通風(fēng)等實際情況,網(wǎng)路優(yōu)化計算設(shè)置井下通風(fēng)機及機站,選取風(fēng)機見表1。
劉塘坊鐵礦井下通風(fēng)遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)按照上述設(shè)計建設(shè),通過一段時間試運行,井下通風(fēng)系統(tǒng)分區(qū)控制與實時調(diào)節(jié)得以實現(xiàn),運行參數(shù)監(jiān)控見圖6、圖7。
4.2.1 成本降低
(1)節(jié)約了電耗。根據(jù)礦井夏季冬季環(huán)境區(qū)別,按需調(diào)節(jié)風(fēng)量,合理調(diào)整風(fēng)機轉(zhuǎn)速,避免浪費,每年可節(jié)電110萬kW·h。
(2)減少了人力。實現(xiàn)“機械化換人、自動化減人”,設(shè)備自動化程度提高,能做到更全面的保護和數(shù)據(jù)化,降低了故障率,減少了人員維護和檢修的工作量,實現(xiàn)了主扇風(fēng)機的無人值守[8]。
(3)節(jié)約了備件。通過降低風(fēng)機工作強度,可以延長風(fēng)機的使用壽命。因為變頻調(diào)速使得風(fēng)機在大部分工作時間都以較低速度運行,從而大大降低了風(fēng)機工作機械強度和緩解了電氣沖擊,有利于延長風(fēng)機的使用壽命,降低維修強度,節(jié)約風(fēng)機備件費用。
4.2.2 設(shè)備管理提升
(1)設(shè)備綜合性能判定提升。上位機可實現(xiàn)報表系統(tǒng),實時對現(xiàn)場設(shè)備各運行參數(shù)進行監(jiān)測并形成數(shù)據(jù)報表和數(shù)據(jù)曲線,設(shè)備管理人員可根據(jù)設(shè)備運行的具體參數(shù)和曲線分析出設(shè)備的運行狀況,結(jié)合精密點檢,可提前對設(shè)備各項指標進行綜合判定,以便提前做好備品備件計劃。
(2)雙重點巡檢體系,設(shè)備管理更加精細化。維修人員在現(xiàn)場可定期對風(fēng)門、風(fēng)機及電控設(shè)備進行點巡檢,集控中心操作人員可通過后臺監(jiān)控系統(tǒng)對風(fēng)門、風(fēng)機各運行參數(shù)進行點巡檢,可組成維修—集控雙重點巡檢體系,設(shè)備管理更加精細化。
(3)完善維護保養(yǎng)體系。通過設(shè)備運行時間的自動統(tǒng)計,設(shè)備管理人員可直觀地分析出設(shè)備的潤滑周期及主要備件的更換時間,對風(fēng)門、風(fēng)機按時間合理進行潤滑及維護保養(yǎng),避免過保養(yǎng)和欠保養(yǎng)。
4.2.3 系統(tǒng)的開放性
將井下通風(fēng)系統(tǒng)和井下有毒氣體監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合,在各風(fēng)機站及井下重點部位加裝CO濃度、NO2濃度監(jiān)測傳感器,可以實時監(jiān)測井下風(fēng)機站及重點部位CO和NO2氣體濃度。若測量點CO和NO2氣體濃度超過報警值,對后臺進行報警提示,此時自動控制系統(tǒng)通過遠程操作加大主扇風(fēng)機轉(zhuǎn)速,井下風(fēng)速加快、風(fēng)量加大,有毒氣體可快速地排出,保證了井下施工作業(yè)環(huán)境的安全。
針對金屬礦山井下環(huán)境質(zhì)量實時調(diào)節(jié)技術(shù)研究分析,以劉塘坊鐵礦為例,建設(shè)井下主扇風(fēng)機運行參數(shù)和風(fēng)門狀態(tài)遠程實時監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng),并穩(wěn)定運行,得出如下結(jié)論:
(1)礦井實時調(diào)控通風(fēng)技術(shù)通過工控計算機、遠程數(shù)據(jù)采集與傳輸、控制模塊、傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控軟件等對全礦井下機站的風(fēng)機、風(fēng)門實行遠程集中實時調(diào)節(jié),實現(xiàn)了按需供風(fēng),從而保證穩(wěn)定、經(jīng)濟地向礦井連續(xù)輸送新鮮空氣,將粉塵和炮煙等有毒有害氣體稀釋并及時排至地表,改善了礦井內(nèi)的空氣條件,保護人員安全與健康。
(2)劉塘坊鐵礦實施了礦井主扇風(fēng)機的遠程控制改造方案后,通過變頻器變頻調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)按生產(chǎn)需要從0~100%調(diào)節(jié)風(fēng)量,減少了不必要的浪費,實現(xiàn)了變頻軟啟動,避免了啟動電流的沖擊,節(jié)約了通風(fēng)動力成本,每年可節(jié)電110萬kW·h。
(3)遠程控制系統(tǒng)具有完善的監(jiān)控性能和很高的可靠性,提高了風(fēng)機的工作效率和使用壽命,采用集中控制可以有效地縮短操作時間和響應(yīng)時間,減少了檢修和維護的工作量,最終實現(xiàn)了井下主扇風(fēng)機的無人值守,使井下設(shè)備管理更精細化、精準化,提高了礦山管理水平。