三种二线制模块化多级机站集中控制系统.pdf

Serial No. 366 June. 2001 矿 业 快 报 EXPRESS INATION OF MINING INDUSTRY 总 第 366期 2001年 6 月第 12 期 段永祥, 昆明冶金高等专科学校, 高级工程师, 650033 云南省 昆明市学府路 388 号。 三种二线制模块化多级机站集中控制系统 段永祥 昆明冶金高等专科学校 摘 要 根据多级机站特点及其集控管理需求, 研制了满足不同程度要求的“ 远控 型、 测控型、 智能型” 三种二线制模块化集中控制系统, 并在矿山推广应用。 关键词 二线制 模块化 多级机站 集中控制 推广应用 1 多级机站特色及其集控管理 20 世纪 80 年代中期在轻型节能风机成功 研制基础上推广应用的多级机站通风方式, 较 传统的“ 主扇-风窗” 、 “ 主扇-辅扇” 调控方式而 言, 具有压力分布均匀、 有效风量率高、 风量调 节灵活、 节省通风电耗等优点, 其可控性、 有效 性和经济性最为优越。 因此迅速得以推广应用。 多级机站通风方式, 要求各级机站各台风 机均按设计要求运行才能体现其优越性。如果 有些机站未能按要求开停或发生故障未能及时 排除, 势必影响区域乃至全局通风效果。 这就要 求通风主管部门随时掌握各级机站各台风机运 行动态, 对风机实时监控。然而, 数十台乃至近 百台风机安装在井下, 风机多、 分布广、 线路长、 高差大、 环境差, 采用传统的人工巡查管法难以 适应, 管理自然成了一个难题, 不仅影响其调控 效益, 而且还不利于推广应用。 国内外多级机站 发展趋势表明, 实施集中控制是解决这一难题、 确保通风效果、 充分发挥其风量调节灵活性、 进 一步开发其节电效益的有效途径。 2 系统的组成 2. 1远控型和测控型集控系统的组成 二型集控系统结构见图 1, 均由集成化模 拟元件组成, 二者差别在于测控型比远控型多 了电流变送监测环节和一个显示调节模块。远 控型由集控柜中的指令模块和加装在风机配电 柜中的测控模块、 用一对专用控制电缆联接组 成。多台风机共用一个可安装多个指令模块的 集中控制屏, 在其屏面上, 用钮子开关选择按钮 手动控制或另接的计算机开停控制, 用红、 绿、 兰、 黄四色信号灯分别表示风机正常运行、 指令 停机、 非指令停机、 控制电缆断线 4 种状态, 用 长短声蜂鸣器配合闪光光示牌分别表示非指令 停机和控制电缆断线两种状态。测控模块上也 有钮子开关选择“ 远控、 近控和停机” 三种控制 方式。 开机指令由指令模块转换为脉冲信号, 通 过控制电缆传送给测控模块, 经功率扩展后直 接驱动接触器闭合。 风机运行后, 反馈单元令功 率扩展单元自保, 并给指令模块反馈运行信号, 用红色信号灯显示风机进入运行状态。远控停 机指令输入测控模块后, 迫使功率扩展单元截 止、 接触器断开, 在集控柜上用绿色信号灯显示 风机进入指令停机状态。 当出现故障停机、 停电 停机等非远控指令停机时, 反馈信号消失, 指令 模块用兰色信号灯、 文字闪光示牌、 长声蜂鸣器 等三种声光信号报警。 当集控电缆被断开时, 自 动用相应黄色信号灯、 文字闪光光示牌、 短声蜂 鸣器等三种声光信号报警。 所以, 每台风机只需 一对远控模块和一对专用控制电缆, 就可实现 开停远控、 开停状态反馈、 控制回路通断监测、 各种状态声光信号显示与报警等多种功能, 尽 可能地简化了控制系统复杂程度和井下布线难 度, 节省了电缆投资。 并且各台风机控制线路之 间相互独立, 互不影响, 避免了集中控制存在的 42 风险集中问题。模块输入和输出之间有高达 5000V 的光隔保护措施, 设置防雷击、 防高压保 护功能。全部选用集成元件并用印刷电路板焊 接安装于密封的工程塑料合内, 模块化壁挂式 安装, 尽量使控制系统适应井下潮湿多水、 干扰 严重的恶劣环境。 外联采用多芯航空插头, 可简 便地带电拨插快速更换。由于控制电压仅为 24V, 电流只有 20mA, 可带电检修。控制距离 可达 10km 以上, 完全可以满足大型矿井集中 控制要求。 图 1 远控型、 测控型集控系统组成 多级机站常用的 K 系列风机均为 Y 系列 三相异步电动机拖动, 其电流与负载率、 效率、 功率因素、 输入输出功率、 风机风量、 风压等参 数之间均为已知的函数关系, 运行状况也集中 反应在电流变化上。只要测得任一相的电流数 值, 即可根据函数关系求得上述所有参数, 分析 处于“ 正常、 过载、 轻载” 何种运行状态, 判定轴 承磨坏、 缺相运行、 叶片损坏等故障。 因此, 在远 控型基础上, 增加了电流自动监测环节, 研发成 电流测控型二线制模块化集控系统。其保留了 远控型的所有功能、 特点和优点, 新增了电流监 测、 数码显示和上下限报警控制功能。 当出现故 障前兆时, 声光报警延时后, 自动指令故障风机 停止运行, 对风机进行自动监测和可靠保护。 2. 2智能型集控系统的硬件组成 如图 2 所示, 系统由一台工控机和若干个 专为井下恶劣环境工作设计的 FANC 测控模 块通过 RS-485 总线联接组成。RS-485 是工业 上广泛应用的二线制双向平衡传输标准, 通讯 介质采用成本低廉且适合井下高噪声环境使用 的 JVVP 型铜蕊双绞蔽电缆, 单组双绞电缆双 向主从多工通信, 高阻抗低噪声差分传送, 传输 速率 10M 波特, 适用于组成中低速、 长距离收 发的多级机站集控系统。RS232/ 485 转换模块 4520 和 RS-485 中继模块 4510 在网络中不占 用地址, 其内部有自动识别方向的 I/ O 电路, 无需握手信号, 测控信号传输收发自如。 当模块 数量超过 16 个或距离超过 1. 2km 时, 需增加 4510 中继器。 整个网络可支持 256 个可寻址的 FANC 测控模块, 由于采用 RS-485 两线通讯 方式, 现场布线十分简单, 测控模块可以在现场 就近处理讯号, 有效防止了 EMT 干扰, 其通讯 距离达 1200m, 具有可中继延伸至数公里的通 讯能力, 尤其适合承担多级机站等分散目标集 中测控, I/ O 点数和控制距离完全可以满足大 型矿井多级机站集中测控要求。集控网络及测 控模块仅用一对双绞线发送和接收信号, 因节 点并行连接, 所以各节点的连接或断开不会影 响其余节点的功能, 这样便于随着生产变化而 经常调整风机数量和安装位置。 图 2 智能型集控系统组成 FANC 测控模块有各种不同规格型号, 分 别有 1、 2、 3、 4、 8、 16 通道的 AI/ O 或 DI/ O。内 置 CPU、 E 2PROM, 可以处理标准的模拟量、 数 字量信号。一般单台风机宜采用 4012 型, 其有 1 个开关量输入通道, 可用于反馈风机开停状 态; 2 个数字量输出通道用于正反转控 制, 1 个 模拟量输入通道用于测量风机运行电流或其它 风量、 风压等参数; 还有一个热电耦输入通道, 可测量电机温升情况。某些主要机站或重要场 所需测量的模拟量参数较多时, 可增设若干个 4018 型 8 通道 A/ D 模块。当某一区域风机较 多时, 可选用 4053 型 16 通道数字量I/ O 模块, 与 4018 等一起构成模块组, 以减少单个模块个 数, 降低测控成本。4021 模拟量输出模块与变 43 段永祥 三种二线制模块化多级机站集中控制系统 2001 年 6 月第 12 期 频器配合, 可灵活地调节风机风量。模块体积 小, 全塑封装防腐防潮, 有壁挂、 导轨等多种安 装方式。 配工业密封安装盒后可防水防尘, 特别 适用于井下恶劣环境。 2. 3智能型集控系统的软件组态 多级机站测控软件采用基于 Windows 的 FX 分布式 HMI/ SCADA 软件包, VB 或 VC 语言二次开发组态。FX 具有灵活丰富的人机 界面, 标准的可视化中文程序环境, 自带多项连 接工具使之功能较强而操作却十分便捷, 比较 容易实现多级机站如下测控要求。 1 通风系统运行动态显示。应用软件的 画笔、 动态显示、 抢先多任务功能, 将各级机站 各台风机开停状态、 主要通风井巷风流方向, CO、 NO2浓度, 风机风量、 风压、 电流、 功率、 轴 温等通风系统有关参数, 描述成各种层次的画 面及综合性的通风系统动态立体模拟图, 便于 管理人员一目了然地监视整个通风系统各级机 站风机运行情况。 2 风机运行控制。 应用软件的控制功能和 脚本编辑器, 能够随时通过键盘或鼠标控制任 一台风机开停或正反转, 也可按事先设定的时 间和顺序自动开停。 并根据指令或CO、 NO2浓 度变化, 对装有变频装置的风机进行风量调节。 3 自动报警。 在检测到风机运行在不稳定 区、 非指令开停、 机械故障、 电气故障、 有害气体 超标等危险情况时, 自动报警并记录和显示故 障类型及发生时间、 地点, 提醒值班人员前往处 理。 4 通风参数采集及历史趋势图显示。 数据 采集功能 , 自动采集和记录风机开停时间、 风 量、 风压、 电流、 功耗、 温升、 CO 和 NO2浓度等 通风参数, 并可显示各个参数任意时段的历史 趋势图, 作为资料保存和事故分析的依据。 5 报表打印。 可调用多种函数分析统计数 据, 生成值班报告、 耗电量和节电量月报、 年报 等各种报表。 3 三种集控系统的特点及选用建议 远控型仅用一对专用集控电缆联接一对远 控模块, 就可实现风机开停远控及多种状态的 声光显示与报警, 控距远、 投资少、 见效快, 使用 维护简便; 不足之处是没有风机运行参数监测 功能; 测控型在其基础上增加了风机运行电流 遥测显示与自动监控功能; 智能型优点是模拟 量和数字量测控功能均很强, 仅用一对公用集 控电缆、 一台工控机、 若干个测控模块, 就可以 自动实现通风参数遥测、 风机开停遥控、 风机风 量遥调。 缺点是风险集中、 投资较多。 三种系统 均有相互组合的接口, 既可单独使用, 也可为弥 补各自不足而混合使用。 对于控制功能选择, 应 以实用为度。 对于控制系统组成, 应根据机站重 要程度、 风机大小、 测控要求区别对待, 灵活选 择相应的集控方式, 组成投入少, 功能强的混合 型集控系统。 根据三种集控系统的特点, 对选型 和应用建议如下 1 中小型通风系统。 次要机站和小型风机 采用远控型, 主要机站和大型风机采用测控型, 灵活组合成成本低、 功能够用的联合式集控系 统。 2 大型通风系统。 最简便的方案是选用智 能型集控, 较可靠的方案是全部风机采用远控 型控制, 重要机站、 重点场所模拟量参数采用智 能型遥测, 两个系统之间实现有机联接。 正常情 况下, 计算机通过远控系统控制风机开停。 当计 算机发生故障时, 仍可在集控柜上通过手动按 钮控制风机开停。 4 结语 矿山应用效果表明, 针对多级机站高度分 散管理困难、 运行控制与信息管理需相对集中 而研制的三种二线制模块化集控系统, 可用较 低的投资、 较简便的手段、 较强的功能解决多级 机站管理与测控难题, 研究成果具有一定实用 价值。 参 考 文 献 1 段永祥 . 基于模块化的远程测控研究与实践 . 电气自动 化, 1999 4 2 沃 健 . 工业控制组态软件 Genie. 测控技术, 1996 1 收稿日期 2001- 06- 12 44 总第 366 期 矿业快报 2001 年 6月第 12 期