CN114895618A - 一种深井矿山通风系统风机远程集中控制系统 - Google Patents

一种深井矿山通风系统风机远程集中控制系统 Download PDF

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孙越
吉学征
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Abstract

本发明公开了一种深井矿山通风系统风机远程集中控制系统，包括管理操作层、网络传输层、核心控制层和现场设备层；管理操作层包括地表集控室上位机和井下集控室上位机；核心控制层包括PLC控制系统，PLC控制系统与网络传输层连接；现场设备层包括现场检测传感器、风机变频调速控制柜、现场手动启停操作箱和风机，并通过PLC控制系统控制。本发明采用了PC+PLC控制架构，具有现场操作箱手动、现场PLC人机界面控制和地表（井下）集中控制3种控制模式，分别满足了风机检修维护、网络异常应急和正常运行的不同需求，实现了全矿风机的远程集中自动控制和井下现场无人值守，提高了矿山装备系统的自动化、信息化和智能化水平。

Description

一种深井矿山通风系统风机远程集中控制系统
技术领域
本发明涉及矿山通风设备领域，具体是一种深井矿山通风系统风机远程集中控制系统。
背景技术
通风系统作为矿山安全生产的“八大系统”之一，对矿山的安全生产有极其重要的作用，而深井矿山由于生产、开拓系统更为复杂，通风系统多采用多级机站进风、地表主扇集中回风的压抽混合式通风方式，全矿通风系统呈对角式结构，有7个进风处2个回风处，通风区域涉及5条竖井，4个中段，3个副中段，3个分段和1条主斜坡道。通风机站包括8台“DK40”系列对旋风机，3套K45系列的空气幕。一级机站5个，设在井下各主要通风平巷内，主要作用为分配风量和增加通风动能；二级机站3个，起引导风流和克服回风侧通风阻力的作用；井下3组空气幕，用于局部风流和风量调节，提高通风效果。各风机参数如表1所示。
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在实际使用中，上述现有通风系统存在以下问题：1、由于风机数量多，安装位置涉及多个分段和中段、主斜坡道和地表，间距较远，且建设时间跨度大，系统技术水平参差不齐，自动化、信息化程度较低，无法实现自动和远程集中控制；2、风机检测手段不完善，系统风压、风速、电机电流、电枢温度和电机振动等系统重要技术参数没有实现在线监测，只能依靠各风机站岗位人员定时现场巡检获得，劳动生产率低；3、没有建立系统运行数据库和故障诊断系统，维修不便；4、无法在10min分钟内实现系统反风，不符合《金属非金属矿山安全规程》的要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有矿山通风系统存在的上述问题，提供一种深井矿山通风系统风机远程集中控制系统，实现矿山通风机站多台风机的远程自动控制。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种深井矿山通风系统风机远程集中控制系统，包括管理操作层、网络传输层、核心控制层和现场设备层；
所述管理操作层包括地表集控室上位机和井下集控室上位机；
所述网络传输层包括控制主干环型网络，该网络由网络交换机和通讯光纤组成，所述地表集控室上位机和井下集控室上位机通过网络交换机和光纤与控制主干环型网络连接；
所述核心控制层包括各中段风机站PLC控制系统，各中段风机站PLC控制系统通过光纤与网络传输层网络交换机连接；
所述现场设备层包括现场检测传感器、风机变频调速控制柜、现场手动启停操作箱和风机，所述各中段风机站PLC控制系统分别与风机变频调速控制柜、现场检测传感器和风机电连接，风机变频调速控制柜与现场手动启停操作箱电连接。
作为本发明技术方案的进一步优选，所述现场检测传感器包括风速传感器、风压传感器、温度传感器、振动检测传感器和抱闸开合状态检测开关。
进一步地，所述抱闸开合状态检测开关包括抱闸开闸到位检测开关和制动到位检测开关。
进一步地，所述各中段风机站PLC控制系统包括各中段风机站接入交换机、PLC控制器和人机界面。
进一步地，所述网络传输层的网络交换机包括矿区环网核心交换机和不少于2台中段汇聚交换机，所述地表集控室上位机通过地表集控室交换机与矿区环网核心交换机电连接，所述矿区环网核心交换机分别与矿区各中段汇聚交换机的信号输出端电连接，中段汇聚交换机的台数与矿区中段数相同；所述各中段汇聚交换机的信号输入端与各中段各风机站接入交换机电连接，各中段汇聚交换机通过光纤互连组成环网，井下集控室上位机与井下集控室内放置的中段汇聚交换机输出端电连接。
通过使用上述系统，本发明的有益效果是：本发明控制系统采用了PC+PLC 控制架构，具有现场操作箱手动、现场PLC柜触摸屏控制和地表（井下）集中控制3种控制模式，分别满足风机检修维护、网络异常应急和正常运行的不同要求，系统操作界面简单、友好，减少了操作人员，改善了作业环境，大幅度提高了控制系统的自动化和信息化水平，实现了各风机站风机的远程集中自动控制，系统实现了以下功能：
1、在远程控制模式下，上位机可实现所有风机的启停、调速、正反转操作，并显示各类参数、参数曲线、故障报警及归档；
2、通过各风机站PLC控制站人机界面（HMI），可单独对各风机站风机进行启停、调速、正反转操作等；
3、任意风机发生故障时，可在集控室或现场停用故障风机，不影响其它站点风机的正常运行；
4、可实时检测各风机站风量、风速、电机电流、电压、转速、频率、电枢温度和电机振动等系统和设备关键运行参数的在线监测和显示；
5、可查看风量、风压、温度、振动、电流等参数的实时运行曲线，任意参数的历史记录查询、打印；
6、通过集控平台可实现各风机站的全部风机在10min内的快速正、反转控制，满足了《金属非金属矿山安全规程》的要求。
附图说明
图1是本发明深井矿山通风系统风机远程集中控制系统总体架构示意图；
图2是本发明深井矿山通风系统风机远程集中控制系统各风机远程集中控制示意图；
图3是本发明深井矿山通风系统风机远程集中控制系统各风机闭环自动控制原理图；
附图标记：1、地表集控室上位机：1-1、地表集控室交换机；2、井下集控室上位机；3、控制主干环型网络：3-1、矿区环网核心交换机，3-2、中段汇聚交换机；4、各中段风机站PLC控制系统：4-1、各中段风机站接入交换机；5、现场检测传感器；6、风机变频调速控制柜；7、现场手动启停操作箱；8、风机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。
参照图1-3，本发明提供的一种深井矿山通风系统风机远程集中控制系统，包括管理操作层、网络传输层、核心控制层和现场设备层；所述管理操作层包括地表集控室上位机1和井下集控室上位机2；所述网络传输层包括控制主干环型网络3，该网络由网络交换机和通讯光纤组成，所述地表集控室上位机1和井下集控室上位机2通过网络交换机和光纤与控制主干环型网络3连接；所述核心控制层包括各中段风机站PLC控制系统4，各中段风机站PLC控制系统4通过光纤与网络传输层网络交换机连接；所述现场设备层包括现场检测传感器5、风机变频调速控制柜6、现场手动启停操作箱7和风机8，所述各中段风机站PLC控制系统4分别与风机变频调速控制柜6、现场检测传感器5和风机8电连接，风机变频调速控制柜6与现场手动启停操作箱7电连接。
上述现场检测传感器5包括风速传感器、风压传感器、温度传感器、振动检测传感器和抱闸开合状态检测开关。抱闸开合状态检测开关包括抱闸开闸到位检测开关和制动到位检测开关。各中段风机站PLC控制系统4包括各中段风机站接入交换机4-1、PLC控制器和人机界面。
上述网络传输层的网络交换机包括矿区环网核心交换机3-1和不少于2台中段汇聚交换机3-2，所述地表集控室上位机1通过地表集控室交换机1-1与矿区环网核心交换机3-1电连接，所述矿区环网核心交换机3-1分别与矿区内各中段汇聚交换机3-2的信号输出端电连接，中段汇聚交换机3-2的台数与矿区中段数相同；所述各中段汇聚交换机3-2的信号输入端与各中段各风机站接入交换机4-1电连接，各中段汇聚交换机3-2通过光纤互连，与矿区环网核心交换机3-1组成矿区环网，井下集控室上位机2与井下集控室内放置的中段汇聚交换机3-2输出端电连接。
本发明各中段风机站PLC控制系统4的PLC控制器采用S7-1200可编程控制器。
参照图2和图3，本发明的工作原理和工作过程如下：
（1）远程集控方式：
操作人员将地表集控室上位机1、井下集控室上位机2和各中段风机站PLC控制系统上的控制转换开关转换到远程集控方式，各中段各风机站PLC控制系统4中各风机正、反转控制开关打到正转档位，在集控室地表上位机1或井下集控室上位机2上通过控制主干环型网络3向各中段风机站PLC控制系统4发出启动指令，各中段风机站PLC控制系统4控制相应的风机变频调速控制柜6对风机站风机8进行启动控制，驱动风机电机按照给定的转速运转。同时现场检测传感器5对各风机站风压、风速、振动、电机轴承温度、绕组温度等参数进行采集，将这些采集信号传输至各中段风机站PLC控制系统4，再由各中段风机站PLC控制系统4通过各中段风机站接入交换机4-1、各中段汇聚交换机3-2上传到控制主干环型网络3，实现控制系统的数据共享。当系统受到扰动和环境发生变化时，风速传感器检测数据发生变化，检测值被反馈到各中段风机站PLC控制系统4与风速设定信号比较，经各中段风机站PLC控制系统4运算后向风机变频调速控制柜6中的变频器输出转速控制信号，驱动风机8按照系统所需的转速运行，实现对风机闭环自动调速。地表集控室上位机1、井下集控室上位机2通过控制主干环型网络3对风机8运行关键参数在线监控。
（2）现场PLC人机界面控制方式：
操作人员将地表集控室上位机1、井下集控室上位机2和各中段风机站PLC控制系统4上的控制转换开关转换到现场PLC人机界面控制方式，各中段各风机站PLC控制系统4上各风机正、反转控制开关打到正转档位，操作人员通过各中段风机站PLC控制系统4中的HIM触摸屏控制各风机8的启停。各中段风机站PLC控制系统4控制相应的风机变频调速控制柜6对风机站风机8进行启动控制，驱动风机电机按照给定的转速运转。同时现场检测传感器5对各风机站风压、风速、振动、电机轴承温度、绕组温度等参数进行采集，将这些采集信号传输至各中段风机站PLC控制系统4，各中段风机站PLC控制系统4对各机站风机运行状态和情况进行实时监测和控制。当系统受到扰动和环境发生变化时，风速传感器检测数据发生变化，检测值被反馈到PLC控制系统4与风速设定信号比较，经PLC控制系统4运算后向变频器输出转速控制信号，驱动风机8按照系统所需的转速运行，实现对风机闭环自动调速。
（3）现场操作箱手动控制方式：
操作人员将地表集控室上位机1、井下集控室上位机2和各中段风机站PLC控制系统4上的控制转换开关转换到现场操作箱手动控制方式，操作人员在各风机站通过现场操作箱7控制风机8的启停，集控室上位机、控制主干环型网络3、各中段风机站PLC控制系统4、现场检测传感器5不参与风机8的控制，风机8按照工频转速运行。
本发明的通风系统风机远程集中控制系统采用目前先进的自动控制技术、检测技术、网络技术和计算机技术，使控制系统控制功能多样、保护功能齐全完善，人机终端界面友好，风机运行状态和参数可视化和动态化，具有很高的自动化和信息化水平。同时，该控制系统结合矿山井下环境恶劣，设备事故易发的特点，依据风机日常检修、运行的实际需求，合理地将系统控制分为现场操作箱手动、现场PLC柜触摸屏控制和地表（井下）远程集中控制三种控制方式，满足了风机检修维护、网络异常应急运行和正常运行的不同要求，实现了各风机站地表和井下的远程集中控制，实现了现场无人值守，改善了职工作业环境。而且在非正常情况下，系统需要应急反风时，操作人员先将地表集控室上位机1上的控制转换开关转换到远程集控方式，再将地表集控室上位机1上各风机正、反转控制开关打到反转档位，然后通过地表集控室上位机1上各风机的启、停按钮就能使所有风机在10min内实现快速反转，实现系统应急反风，完全满足了《金属非金属矿山安全规程》对通风系统反风的要求。
以上所述的仅是发明的较佳实施例，并不局限本发明。应当指出对于本领域的普通技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，还可以做出其它等同变型和改进，均可以实现本发明的目的，都应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种深井矿山通风系统风机远程集中控制系统，其特征在于，包括管理操作层、网络传输层、核心控制层和现场设备层；
所述管理操作层包括地表集控室上位机和井下集控室上位机；
所述网络传输层包括控制主干环型网络，该网络由网络交换机和通讯光纤组成，所述地表集控室上位机和井下集控室上位机通过网络交换机和光纤与控制主干环型网络连接；
所述核心控制层包括各中段风机站PLC控制系统，各中段风机站PLC控制系统通过光纤与网络传输层网络交换机连接；
所述现场设备层包括现场检测传感器、风机变频调速控制柜、现场手动启停操作箱和风机，所述各中段风机站PLC控制系统分别与风机变频调速控制柜、现场检测传感器和风机电连接，风机变频调速控制柜与现场手动启停操作箱电连接。
2.根据权利要求1所述的一种深井矿山通风系统风机远程集中控制系统，其特征在于，所述现场检测传感器包括风速传感器、风压传感器、温度传感器、振动检测传感器和抱闸开合状态检测开关。
3.根据权利要求2所述的一种深井矿山通风系统风机远程集中控制系统，其特征在于，所述抱闸开合状态检测开关包括抱闸开闸到位检测开关和制动到位检测开关。
4.根据权利要求2所述的一种深井矿山通风系统风机远程集中控制系统，其特征在于，所述各中段风机站PLC控制系统包括各中段风机站接入交换机、PLC控制器和人机界面。
5.根据权利要求4所述的一种深井矿山通风系统风机远程集中控制系统，其特征在于，所述网络传输层的网络交换机包括矿区环网核心交换机和不少于2台中段汇聚交换机，所述地表集控室上位机通过地表集控室交换机与矿区环网核心交换机电连接，所述矿区环网核心交换机分别与矿区各中段汇聚交换机的信号输出端电连接，中段汇聚交换机的台数与矿区中段数相同；所述各中段汇聚交换机的信号输入端与各中段各风机站接入交换机电连接，各中段汇聚交换机通过光纤互连组成环网，井下集控室上位机与井下集控室内放置的中段汇聚交换机输出端电连接。
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