李敬儒，嚴 旭

（河鋼集團礦業(yè)有限公司石人溝鐵礦，河北唐山 064200）

0 引言

礦井通風是直接影響礦井生產力的重要因素，礦井通風的質量直接關系到井下工作人員的生命安全與身體健康；礦井通風系統的穩(wěn)定關系到井下有害氣體濃度；礦井通風的能力決定了礦井的生產能力；礦井通風的優(yōu)劣決定井下環(huán)境的級別。所以對井下通風系統展開研究具有重要的現實意義。李磊[1]對礦井通風系統減阻進行分析研究，對礦井通風系統的組成和結構進行簡單介紹的基礎上，重點分析了通風阻力在煤礦生產作業(yè)中增加的原因，總結了礦井通風系統減阻的有效措施；劉江妮、蘭桂斌[2]對礦井通風防塵展開研究，詳細闡述了井下通風系統的防塵措施；張靖昊[3]對煤礦礦井通風瓦斯的防治措施展開探析，主要包括進行風量的合理分配、減少巷道的漏風、做好上隅角處的通風和進行通風網絡優(yōu)化。以上專家學者對井下通風系統的減阻、防塵、防瓦斯等方面展開詳細研究，但對井下通風系統的遠程控制研究還存在一定空白。本文基于遠程控制對井下通風系統展開研究，從井下風機的控制方面提升井下通風的安全性、穩(wěn)定性。

1 石人溝鐵礦概況

河北鋼鐵集團礦業(yè)有限公司石人溝鐵礦位于河北省遵化市興旺寨鄉(xiāng)，2001 年7 月由露天開采轉入地下開采。井下開采設備設施包括南、北風井（包括配套風機）、二級站、水泵房、井下中央變電所、豎井提升、斜坡道、調度室、服務器機房等。井下通風采用南、北兩翼抽出式三級通風方式，一級站位于-180 m 中段各穿脈內，有5 臺11 kW 軸流風機，啟動柜采用直接啟動；二級風站位于-60 m 中段總回風巷南、北兩端，北二級站有2 臺110 kW 軸流風機，采用變頻驅動；南二級站有1 臺132 kW 軸流風機，采用自耦降壓啟動；三級風站設置于地表南、北回風井上部，各有兩組對旋式風機。石人溝鐵礦秉承國家安全監(jiān)管總局確定的3 年“機械化換人、自動化減人”目標[4]，計劃應用遠程控制井下通風系統，從傳統控制方式轉變?yōu)樽詣踊o人化的遠程控制方式。具體機站風機配置見表1。

表1 機站風機配置

2 井下通風系統

2.1 系統設備選型

井下通風系統的設備主要包括PLC 控制器、傳感器、觸摸屏、變頻器和接觸器具體設備選型見表2[5]。

表2 系統設備選型

2.2 系統控制方式

2.2.1 控制原理

石人溝鐵礦的井下通風系統控制方式為獨立PLC 控制方式，各風機站風機均獨立配備一套小型PLC 控制柜，PLC控制柜中的配套設備包括表2 中的設備。在系統運行過程中，S7-200 CPU226 模塊做為核心控制部分，擴展EM231 RTD 模塊，控制電機軸承溫度、風壓、風速等信號，擴展EM231 AI4×12Bit模塊，用于監(jiān)測電機振動信號。PLC 將從變頻器讀取的數據再通過通信端口傳送到觸摸屏組態(tài)畫面，進行顯示及故障報警；同時，觸摸屏可以對變頻器進行頻率設定，進而完成系統控制閉環(huán)[6]。

2.2.2 接線方式

PLC 集中控制柜接線如圖1 所示。

圖1 PLC 集中控制柜接線

2.2.3 控制優(yōu)勢

獨立PLC 控制方式具有顯著的應用優(yōu)勢，具體如下：①獨立PLC 控制更有利于風機的連續(xù)運行，風機不易受通信中斷、通信故障的影響；②獨立PLC 控制能夠實現通信指令的物理隔離，具有天然的可靠性優(yōu)勢；③獨立PLC 控制在進行風機調試時可以逐個進行，單一風機占用或風機故障不會影響其他風機的運行，并且可以隨時接入通信網絡；④獨立PLC 控制使用標準化的以太網通信接口協議，各控制分站可在該協議中作為智能化設備來進行管理，日后智能通風技術實現時可利用該協議來進行對接；⑤獨立PLC 控制的系統連續(xù)性和系統容錯性較高，維護成本和維護難度較低。

3 遠程通信的具體實現方式

3.1 工業(yè)以太網

3.1.1 通信標準

石人溝鐵礦的井下通風系統主要通過光纖網絡和工業(yè)以太網實現遠程通信，其中光纖網絡的性能和應用方式較為常見。工業(yè)以太網選擇使用Profinet 標準，雖然采用的是國際國際標準IEC 61784，但并不符合標準以太網的IEEE 802.3U 標準，與普通以太網具有較大區(qū)別，主要區(qū)別在于通信標準不同。Profinet 劃分為V1、V2、V3，一般稱為Profinet CBA、Profinet IO 和Profinet IRT，也就是通過以太網來實現對等通信、實時控制和運動控制。其中V1 采用TCP/IP 協議，是標準的以太網，而V2 和V3 不采用TCP/IP 協議，這兩種都繞過TCP/IP 協議，采用另外的網絡層和傳輸層協議。

3.1.2 工業(yè)以太網構成

主操作臺下顯示器通信設備，有兩塊CMT-HD 控制設備用于顯示器與網絡的通信接口，一塊2 光6 電網絡光纖交換機，用于接收和發(fā)送信號，每臺通信機柜中裝有12 口光纖ODF 配線架，用于光纜固定、光纜終接及調線用，每臺通信機柜中裝有以太網交換機。

3.2 網絡拓撲方案

遠程通信的網絡拓撲方案共有3 種，分別是雙環(huán)形拓撲、主環(huán)分線形拓撲、主環(huán)分星形拓撲，其中雙環(huán)形拓撲的主干網絡和分支網絡均采用環(huán)形設置；主環(huán)分線形拓撲的主干網絡采用環(huán)形設置，分支網絡采用線形設置；主環(huán)分星形拓撲的主干網絡采用環(huán)形設置，分支網絡采用星形設置。3 種網絡拓撲方案的對比見表3。

表3 網絡拓撲對比

根據表3 可知，雙環(huán)形拓撲的可靠性最高、建設成本最高、施工難度最大、維護難度最高；主環(huán)分線形拓撲的可靠性最低、建設成本最低、施工難度最低、維護難度中等；主環(huán)分星形拓撲的可靠性最中等、建設成本中等、施工難度中等、維護難度較低?？紤]網絡穩(wěn)定性、可靠性、經濟性的兼顧，系統選擇使用主環(huán)分星形拓撲方案。

3.3 通信IP 地址

為提升遠程通信的準確性和穩(wěn)定性，系統采取復合使用通信IP 地址的方式，為光纖網絡傳輸的信息增加具體IP 地址，以便系統能夠識別各風站的具體部位，具體通信IP 地址見表4。

表4 通信IP 地址

4 系統功能檢驗

基于遠程控制的井下通風系統搭建完成后，對該系統功能進行檢驗，測試系統的可行性、應用性和功能性。井下通風系統能夠實現對各風站的獨立控制、統一管理、運行狀態(tài)監(jiān)控、自動化調整等功能。系統對風機的監(jiān)控屬于可視化監(jiān)控，監(jiān)控內容包括風機運行狀態(tài)、運行頻率、運行電壓、運行電流、電機振動、負荷端溫度、非負荷端溫度等。此外還能實現多項控制功能，具體如下：

（1）系統設置中可以選擇兩種操作模式，分別是礦井控制和上位機控制。當切換到礦井控制時，礦井下的操作人員能過獲得風機控制權，并通過威綸通觸摸屏進行控制；當切換到上位機控制時，地上操作人員獲得風機控制權，通過控制中心的終端設備進行控制。礦井需要根據實際情況設置操作模式的優(yōu)先級，石人溝鐵礦的礦井均將上位機控制設置為第一優(yōu)先級。

（2）當系統以地下控制為主時，礦井內的操作人員可以使用威綸通觸摸屏掌握風機的實時運行參數，包括電流、轉速、風量、風壓等。該觸摸屏可以脫離PLC 控制系統使用，具有相對獨立性。所以在PLC 控制系統出現故障時，威綸通觸摸屏仍然能準確的顯示運行數據。威綸通觸摸屏界面如圖2所示。

圖2 威綸通觸摸屏界面

（3）系統具有故障警報功能，工作人員可以根據礦井規(guī)模、運行數據設置風機運行參數閾值，當運行參數超過閾值范圍時，系統會自動向控制終端設備發(fā)送報警信號和故障信息，提醒工作人員進行調整。

（4）系統的通信傳輸主要使用光纖網絡（光纖介質和工業(yè)以太網）和通信IP 地址，既能夠實現礦區(qū)的網絡通信全覆蓋，又具備較強的傳輸準確性。

（5）系統的主要操作集中在上位機中，地上操作人員可以根據上位機的顯示界面對風機下達操作指令，包括風機啟動、風機停止、風速調節(jié)、風機反轉等。

（6）系統的地下控制中包括緊急制動按鈕，在維修人員檢修風機時，風機受電路波動影響自動啟動，會對維修人員的安全造成嚴重威脅。所以當風機自啟動時，維修人員可以通過緊急制動按鈕保護自己。

（7）為提升操作人員的控制能力，系統除主要功能外，集成了以下附屬控制功能：①通過I/O 模塊實現對風機變頻器的啟停、正反轉、急停控制；②能對變電所或變頻柜內煙霧傳感器信號實時監(jiān)測；③能實時調取相關配電室視頻監(jiān)控；④對電機繞組溫度、電機兩端軸承溫度進行監(jiān)測、采集，能采集變頻器工作電流、頻率等運行參數并能遠程監(jiān)控；⑤具有傳感器信號斷線、網絡信號斷線、PLC 及其I/O 模塊故障的監(jiān)測、報警功能；⑥可設置風機變頻器最大允許調節(jié)頻率；⑦上位機監(jiān)控系統與PLC 進行數據通信，具備人機交互及顯示功能；⑧上位機監(jiān)控系統控制風機變頻器柜的分合閘；⑨顯示、記錄所監(jiān)測的各個溫度，提供歷史數據的查詢；⑩上位機監(jiān)控系統實時快速響應，對設備運行狀態(tài)、故障做到準確顯示和實時報警。

5 結束語

結合石人溝鐵礦井下通風系統實例，對系統構成和遠程通信、控制展開研究，對井下通風系統和系統遠程通信的實現進行分析，并根據系統實現功能驗證井下通風系統遠程控制功能的實用性、完備性和功能性。說明石人溝鐵礦在應用基于遠程控制的井下通風系統后，不僅能夠在上位機實現遠程控制井下風機啟停、正反轉、緊急制動、復位等動作，還能對井下通風情況進行監(jiān)控、故障報警、故障檢測等功能，從根本上增強了設備的安全性能，達到設計預期效果。