基于PLC的主通风机不停风切换装置的研究.pdf

FORUM 论 坛 装 备 134 / 矿业装备 MINING EQUIPMENT 基于 PLC 的主通风机不停风切换装置 的研究 □ 宋志亮 山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司 玉溪煤矿主通风机选用两台FBCDZ№38/21000 型地面防爆抽出式对旋轴流通风机，一用一备，主 要由两级风机（电动机为 YBF800M2-10 型，10 kV、 580 r/min） 、消音扩散系统、扩散塔、连接风筒部分 组成。传统的矿井主通风系统基本上是双风机、两风 门，1 台运行，1 台备用，切换方式是通过对工控机 的操作完成在用风机与备用风机之间的切换。其切换 过程存在以下缺点 需人工来完成切换过程 ； 切换时 间长，有安全隐患 ； 在用风机停电停机时同时关闭在 用风门，当风量尚大时，强制关闭风门，会损坏风 门 ； 备用风门打开的整个过程中，备用风机不能向井 下提供风流，存在风流断流过程。针对传统切换方式 的缺点，玉溪煤矿使用不停风切换装置，采用双风机 和四风门，实现了风流的不间断切换。 1 选用不停风切换装置的实际意义 如果把煤矿比作一个巨人话，主通风机就是这 个巨人的肺，主通风机停风就意味着这个巨人停止了 呼吸。人一旦停止呼吸就会危及生命，煤矿一旦停风 就会造成井下有毒有害气体的集聚、井下人员的窒息， 尤其是在煤与瓦斯突出矿井，瓦斯会在短时间内快速 集聚。然而传统的主通风切换方式势必要造成井下停 风，虽然只是短短的几分钟，但作为煤与瓦斯突出矿 井也是难以承受的。玉溪煤矿作为煤与瓦斯突出矿井， 充分考虑以上风险，在设计选型主通风机时积极探索 先进工艺，先进技术，其所选用的不停风切换装置具 有“一键式”自动倒机和通风机故障状态下的自动倒 机功能，通过系统检测与控制功能快速开启或闭合主、 副风门，实现了主通风机的快速切换，使倒机过程中 对通风系统的影响由传统“系统停风”变为“风量波 动” ，故障状态下的倒机时间也大大缩短。使得主通 风机倒机这一薄弱环节得到了优化改善，对矿井的安 全生产起到了重大意义。 2 PLC 在不停风切换装置上的应用 2.1 不停风切换装置硬件系统 为了保证系统的安全可靠运行，玉溪煤矿的不 停风切换装置使用了 PLC 软冗余技术，当发生故障 主控制器停止工作时，备用控制器接收到主控制器停 止工作的信号，就会迅速替代主控制器保持监控系统 正常运行。此种系统的运行要求，对 CPU 的性能的 要求相对较高，因为是用软件来实现冗余功能，所以 只需使用两套可编程逻辑控制器，再加上配套的两台 从站电源即可，其他所需的硬件设备（像数字量输入 输出模块、模拟量输入输出模块等）可以共同用于两 套可编程逻辑控制器。主控制器能实时运行控制程序， 只要接收到切换命令，就能按照设计的风机切换程序， 在控制程序下完成切换功能。 因此，要实现不停风切换装置要达到的功能，以 及通过 PLC 的软冗余来实现装置的经济性、复杂性， 结合了西门子 S7-300F 型 PLC 实现冗余功能的硬件 品质和性能，使用了 CPU315-2PN/DP 作为监控系 统的主控制器，它具有以太网接口，既可以实现监控 数据的全局共享，也可完成与另一个主站网络中主控 制器实时通信，且具有 PROFINET 接口，实现了主 站和从站模块的衔接。 2.2 不停风切换装置软件系统 玉溪煤矿不停风切换装置选用西门子 S7-300F 型 PLC 作为控制核心，并选用组态软件 WinCC V7.0 作为人机交互界面的工具。组态软件 WinCC V7.0，基于 Windows 平台，能够提供完备的监控与 数据采集（SCADA）功能，具有单用户系统直到支 持冗余服务器和远程 Web 客户机解决方案的多用户 系统，其功能强大、操作简易，能够形象生动的显 示动态画面，支持与主控制器的多种通信方式，有 模拟量采集与存储的功能。使用 WinCC V7.0 作为 上位机组态软件能够保证系统可靠运行、实现数据 2019.2 矿业装备 / 135 至风机 2 为例。 （1）首先检查 PLC 控制柜 1风机 1 级电机高压柜 远方操作，1风机 2 级电机高压柜远方操作，2风机 1 级电机高压柜远方操作，2风机 2 级电机高压柜远 方操作、1风机 1 级电机变频器远方操作、1风机 2 级电机变频器远方操作、2风机 1 级电机变频器远方 操作、 、2风机 2 级电机变频器远方操作共计 8 个远控 指示灯状态正常。 （2）检查 PLC 控制柜 1主风门远方操作、1副 风门远方操作，2主风门远方操作、2副风门远方操 作，共计四个远控指示灯状态正常。 （3）1进线柜、母联柜、2进线柜这 3 个高压柜 中 2 个任意闭合。 （4）将 PLC 控制柜上“操作状态选择”置于自动 方式，若操作转态原本置于“自动”状态，必须先打 到中间位置再打到“自动”状态。 （5）将 PLC 控制柜上“倒机方式”置于 1-2 方式。 自动倒机开始。 （6）倒机过程中不停风切换监控界面将根据现场 情况实时反馈，主通风机司机要严密监视，明确倒机 过程的进展情况 . （7）倒机完毕 ； 监控界面会弹出对话框提示倒机 结束。主通风机司机要将操作状态“手动 / 自动”选 择和倒机转换开关置于中间位置执行复位操作，再点 击“确认” ，返回主监控画面。 4 结语 玉溪煤矿主通风机于 2014 年 5 月 29 日正式投入 运行。自投入运行以来，每个月进行一次风机切换， 截止 2019 年 3 月共计进行风机切换 73 次，实现了不 停风切换的实际应用。 采用传统方式的倒机大约需要 10 min 左右，而玉 溪煤矿使用不停风倒机方式，切换过程最长 6 min，最 短 4 min，平均 4.7 min。抛去切换风机前的准备工作， 真正的切换时间仅限于备用风机主风门开启、副风门 关闭的时间，倒机时间约为 50 s，且倒机过程中风流 不间断，对井下的通风影响小，瓦斯未出现超限的情况， 真正起到了不停风倒机的目的，达到了设计要求的效 果，符合煤矿安全生产的要求，彻底消除了因主通风 机倒机时间过长而存在的安全隐患。 〔宋志亮（1974） ，男，山西省晋城市人〕 实时传输。 监控系统 PLC 控制程序的编写使用了结构化编程 方法，程序涵盖主备系统 PROFIBUS 数据通讯、系统 初始化程序、软冗余通讯链路诊断功能、模拟量转化 程序、报警程序、风机运行时间、及冗余的不停风自 动倒台程序等。与此同时，根据 WinCC V7.0 组态软 件的模拟量采集及存储功能，只需 RS485 转换模块就 可以直接传输到组态王指定的存储器存储。所有程序 的功能都是在独立的系统功能或系统功能块中实现的， 技术人员可以根据现场实际需求，对整改程序的结构 进行合理的安排，以达到最佳的效果。这样既能使程 序具备较好的结构化及系统化，又方便于程序出现故 障时的排查。程序运行要遵从从上到下、从左往右的 原则，因此程序的主结构是依据顺序控制的思想，对 系统进行顺序控制。 2.3 不停风切换装置工作原理 正常运行时，在用风机（I 号风机）运行，1垂 直风门处于开启状态，2垂直风门、3水平风门、4 水平风门处于关闭状态。切换时，不停风切换装置接 收到风机切换信号，会自动输出信号，打开 4水平风 门，启动备用风机（II 号风机） ，1垂直风门仍处于 开启状态 ； 备用风机启动完成后，打开 2垂直风门， 约 3s 后，1垂直风门、4水平风门逐渐关闭，3水 平风门同时逐步打开，约 50s 后，2垂直风门及 3水 平风门处于开启状态，1垂直风门及 4水平风门处 于关闭状态 ； 风门开闭完成后，在用风机停机，关闭 3 水平风门 ；切换完成后，备用风机运行，2垂直 风门处于打开状态，1垂直风门、3水平风门及 4 水平风门处于关闭状态。 整个切换过程中，风流不间断，保证了井下新鲜 空气的供给以及井下瓦斯等有毒有害气体的排出，为 井下安全生产提供了有力保障。 3 玉溪煤矿不停风切换装置操作及功能 系统在保留风机原有的就地倒机操作的基础上， 设计增加了远方手动倒机、远方自动一键倒机和远方 上位机自动一键倒机三种操控方式。倒机的首要前提 条件是 1和 2检修门已全部打开。 主通风机不停风自动切换是指在主通风机操控室 内，由主通风机司机在 PLC 控制柜上启动的倒机模式， 其余操作均由 PLC 自动完成。下面以自动从风机 1 倒