王夕旭

(昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

礦山井下通風(fēng)設(shè)備是每個礦山必不可少的關(guān)鍵設(shè)備，但對于散布于整個礦山的通風(fēng)系統(tǒng)子風(fēng)機(jī)站，統(tǒng)一管理存在較大的難點。雖然隨著自動化系統(tǒng)及變頻設(shè)備的普及，通風(fēng)系統(tǒng)也就著自動化浪潮并入了礦山自動化系統(tǒng)。但對于以前礦山采用的集中式遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，依然存在設(shè)備成本高昂，維護(hù)復(fù)雜，一旦光纜斷線則風(fēng)機(jī)停機(jī)的弊端。這時候成本低廉，系統(tǒng)冗余度高，部署簡單的分布式遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)就體現(xiàn)出了獨到的優(yōu)勢。除了實現(xiàn)傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)備遠(yuǎn)程控制啟停、監(jiān)測每臺風(fēng)機(jī)的電流電壓功率風(fēng)速等參數(shù)、風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速實時控制等，還增加了在變頻器故障時自動使用接觸器旁路直接重啟動等冗余安全功能，大大提高了系統(tǒng)可靠性。針對井下光纖故障率高的問題，分布式遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通過每個子站獨立成子系統(tǒng)，即使通信光纖故障，子站也可以運行在上一個命令狀態(tài)，而不會停機(jī)。

下面將從系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、建設(shè)難度、成本控制、使用維護(hù)等方面，詳細(xì)討論分布式控制相對集中式控制給礦山通風(fēng)自動控制系統(tǒng)工程帶來的益處。

1 集中式遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)特點

礦山井下通風(fēng)系統(tǒng)對可靠性要求較高，部分關(guān)鍵點位設(shè)備一旦停機(jī)超過限時，將極大影響井下作業(yè)空間空氣質(zhì)量，甚至威脅井下人員安全。由于井下采掘面及其他工作面實際是處于不斷變化之中，對通風(fēng)量的需求也是不斷變化的，為適應(yīng)這種變化，傳統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)采用的是定頻風(fēng)機(jī)電機(jī)加可調(diào)風(fēng)門的手段來實現(xiàn)調(diào)節(jié)風(fēng)量。在自動化系統(tǒng)普及之前，風(fēng)機(jī)站點位極為分散的特點又使得在要監(jiān)視各個風(fēng)機(jī)站運行狀態(tài)及對風(fēng)機(jī)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)與風(fēng)量調(diào)整成為了一件耗時又費力的工作。為解決以上這些問題，自動化程度較高的通風(fēng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)應(yīng)運而生。其典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 集中式風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure block diagram of centralized fan control system

系統(tǒng)采用集中控制方式，于集控中心內(nèi)設(shè)置了1個集控操作站，操作站配控制電腦及中控PLC，現(xiàn)場控制總線信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為光信號，通過光纖和井下各級通風(fēng)機(jī)站連接。風(fēng)機(jī)站采用光電轉(zhuǎn)換器將光纖內(nèi)的總線信號轉(zhuǎn)換為電信號，接入各控制設(shè)備，從而達(dá)到集中控制及檢測的目的。

1.1 采用光纖傳輸控制信號

干擾小，通訊信號屬于光信號，所以外圍強(qiáng)電信號無法干擾本身的運行，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集及控制信號的下發(fā)不會造成影響；傳輸距離長，支持遠(yuǎn)距離傳輸信號，光信號衰減小，通信距離可達(dá)數(shù)公里；傳輸速度快，采用以光纖為介質(zhì)的現(xiàn)場總線連接，傳輸速度得到較大提升，保持了各機(jī)站通風(fēng)機(jī)的實時性。

1.2 風(fēng)機(jī)可調(diào)速

采用變頻器對風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，舍棄了調(diào)節(jié)麻煩且成本高昂的風(fēng)門調(diào)節(jié)，可以對電機(jī)的速度及轉(zhuǎn)向進(jìn)行實時控制，實現(xiàn)了風(fēng)量的無級調(diào)節(jié)及事故反風(fēng)。配合變頻器的高效率高功率因數(shù)及調(diào)速特性，可以實現(xiàn)可觀的節(jié)能降耗效果；并且能實現(xiàn)風(fēng)機(jī)順槳狀態(tài)啟動時的軟啟動，以延長設(shè)備壽命。

1.3 數(shù)據(jù)量多

可以實時監(jiān)測電機(jī)電流、電壓、頻率、功率、溫度、變頻器溫度、等大量的數(shù)據(jù)，還可以計量電度；但是集中控制方式帶來的問題也很多。

(1)網(wǎng)絡(luò)可靠性對整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行起決定性作用：為了提高數(shù)據(jù)實時性，采用了現(xiàn)場總線方式連接各個子站，無法形成環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，一旦通信光纜損壞(即光纖網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障通信丟失)就意味著斷點后所有子站都會離線。同時由于采用現(xiàn)場總線，子站與中控PLC斷開還有風(fēng)機(jī)停機(jī)的風(fēng)險。這時候就需要維護(hù)人員到達(dá)偏遠(yuǎn)的現(xiàn)場就地啟動風(fēng)機(jī)來保證正常生產(chǎn)，雖然此故障信號可以在集控室監(jiān)測到，但恢復(fù)風(fēng)機(jī)運行將耗費巨大的時間，期間伴隨風(fēng)機(jī)因失去主機(jī)控制而停機(jī)的風(fēng)險，后果不堪設(shè)想。

(2)擴(kuò)展性差：同樣是因為采用了現(xiàn)場總現(xiàn)方式連接各個子站，當(dāng)需要增減風(fēng)機(jī)子站的時候都需要更改系統(tǒng)硬件配置，就必然需要對整個通風(fēng)系統(tǒng)做停機(jī)之后才可以操作，還必須在硬件添加后做子站的編程調(diào)試工作，這勢必影響生產(chǎn)及增加系統(tǒng)維護(hù)的復(fù)雜程度。

(3)建設(shè)成本較高，通常PLC和現(xiàn)場設(shè)備的通信使用現(xiàn)場總線協(xié)議是以雙絞線或者其他通信電纜方式連接。而通信電纜的傳輸距離較近，勢必需要用到光電轉(zhuǎn)換設(shè)備才能使用光纖作為遠(yuǎn)程傳輸介質(zhì)。不同于以太網(wǎng)的光纖設(shè)備，支持現(xiàn)有現(xiàn)場總線協(xié)議的工業(yè)用光電轉(zhuǎn)換設(shè)備往往價格高昂，按每個子站需一臺的數(shù)量進(jìn)行配置的話，將在總投資中占有很大的比例。

2 分布式遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)特點

相對于集中控制方式，如何提高系統(tǒng)可靠性，最大化在使用過程中的安全性就成為新一代礦山通風(fēng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的主要目標(biāo)。為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，克服集中控制方式在應(yīng)用中存在的問題，分布式控制應(yīng)運而生，見圖2，該系統(tǒng)有如下特點：

圖2 分布式風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure block diagram of distributed fan control system

2.1 環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)提高網(wǎng)絡(luò)可靠性高

井下環(huán)境復(fù)雜，光纖以其抗干擾能力強(qiáng)、有效傳輸距離長、速度快的特點成為井下通訊的必然選擇。但光纖又因其較為脆弱的特性，即使做好敷設(shè)線路選擇及相應(yīng)的保護(hù)也難免會發(fā)生損壞，一旦損壞必然導(dǎo)致通信斷線的情況。采用集中式控制的系統(tǒng)一旦發(fā)生通信丟失，變頻器將直接停機(jī)，這給井下環(huán)境帶來了巨大的安全隱患。相較于采用現(xiàn)場總線的集中控制方式，分布控制方式可以采用能方便的工業(yè)以太網(wǎng)組成光纖環(huán)網(wǎng)。環(huán)網(wǎng)的優(yōu)勢在于，當(dāng)環(huán)網(wǎng)內(nèi)一處發(fā)生斷線故障后，網(wǎng)絡(luò)信號可以自動切換為另一個方向繼續(xù)傳輸，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定。且可以通過增加光纖敷設(shè)線路的方式，輕松的做到多環(huán)網(wǎng)冗余。

2.2 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本低

相較于集中控制方式需采用昂貴的現(xiàn)場總線光電轉(zhuǎn)換器組網(wǎng)，以太網(wǎng)光電交換機(jī)的價格相對低廉，可以省下不小的投資。

2.3 離線運行提高系統(tǒng)穩(wěn)定性

分布控制方式采用子站分散布置、主站集中控制的方式，主站只負(fù)責(zé)控制命令的下發(fā)、子站數(shù)據(jù)的匯總及子站通信狀態(tài)的診斷，具體控制邏輯都在分站上運算完成，一旦通信光纖出現(xiàn)問題，子站將運行在之前狀態(tài)，不會因丟失主站控制命令而停機(jī)，甚至及時在斷線期間某部分出現(xiàn)故障，例如變頻器故障，也可以依據(jù)設(shè)定好的程序，自動切換為旁路運行。提高了系統(tǒng)可靠性、安全性的同時降低了人工維護(hù)成本。

2.4 風(fēng)機(jī)全狀態(tài)運行增加系統(tǒng)適應(yīng)性

變頻器的節(jié)能效果已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可，但井下環(huán)境惡劣，高濕度，高溫度高粉塵都對變頻器的可靠性提出了極大的考驗。得益于子站分散布置、主站集中控制。具體控制邏輯都在分站上完成運算，不會因丟失主站控制命令而停機(jī)的特性。為了在變頻器故障時依然可以保證通風(fēng)量，進(jìn)而保證井下人員安全，本系統(tǒng)除了可以變頻器驅(qū)動外，還提供了旁路直接驅(qū)動方式作為變頻器故障時的后邊措施作為冗余，并且可以在無視主站通訊是否正常的情況下進(jìn)行變頻器故障后直接切換到旁路運行，并生成就地報警信息，巡查人員可在通訊恢復(fù)后或者巡查到風(fēng)機(jī)點時及時發(fā)現(xiàn)并加以處理。從而大大提升了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

2.5 簡化硬件設(shè)計提高擴(kuò)展性高

比起集中控制方式需要停機(jī)修改基礎(chǔ)硬件配置才能添加新的子站，分布控制方式因采用模塊化設(shè)計每個子站使用相同的軟硬件配置，將編程量大大縮減為原來的1/3，同時由于其離線運行的特性，可以在系統(tǒng)不停機(jī)的情況下方便的添加子站。而且，添加的新子站在可以在做好調(diào)試后再并網(wǎng)進(jìn)入系統(tǒng)，添加后即可直接運行，不需要像集中控制方式的子站一樣再重復(fù)調(diào)試程序。大大節(jié)省了時間，降低了成本，方便了系統(tǒng)擴(kuò)展。

3 系統(tǒng)設(shè)計

基于系統(tǒng)的功能和需求，結(jié)合礦山現(xiàn)場的環(huán)境特點和運行習(xí)慣，分布式遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)一般分為人機(jī)界面；主站控制系統(tǒng)；子站控制系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。下面就每個分系統(tǒng)的設(shè)計做簡單介紹。

3.1 人機(jī)界面系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要實現(xiàn)操作人員與控制系統(tǒng)的溝通，控制指令的下發(fā)和運行狀態(tài)、運行數(shù)據(jù)的顯示、報警的顯示等。力求操作邏輯清晰，功能按鍵簡單明了，數(shù)據(jù)顯示簡潔醒目，報警信息及時等要求。

人機(jī)界面采用Wonderware公司的上位機(jī)監(jiān)控軟件Intouch進(jìn)行組態(tài)開發(fā)，可以通過鼠標(biāo)點擊來控制風(fēng)機(jī)的啟動停止，各種狀態(tài)都可以進(jìn)行實時監(jiān)控，并且所有操作及數(shù)據(jù)歷史記錄都存儲在電腦中，方便事故查詢和查看運行狀況，見圖3。

圖3 人機(jī)界面主視圖Fig.3 Main view of human machine interface

人機(jī)界面電腦通過以太網(wǎng)線與主站控制系統(tǒng)連接，在屏上進(jìn)行監(jiān)控和操作。通過人機(jī)界面，可以了解各風(fēng)機(jī)子站內(nèi)的設(shè)備運行狀態(tài)，隨時監(jiān)控溫度，電壓，電流等參數(shù)及附屬設(shè)備的運行狀態(tài)；同時還可了解各子站與主機(jī)間的網(wǎng)絡(luò)狀況，各子站設(shè)備間通信狀態(tài)等；可以對系統(tǒng)內(nèi)的每一臺設(shè)備進(jìn)行獨立控制，以單獨檢測各臺設(shè)備的運行狀況。同時為了適應(yīng)不同地點、環(huán)境條件下風(fēng)機(jī)的合理運轉(zhuǎn)，可以在變頻模式下進(jìn)行轉(zhuǎn)速的設(shè)置。為了方便故障的排查，還提供了操作狀態(tài)匯總、故障狀態(tài)匯總及運行狀態(tài)匯總。

3.2 主站控制系統(tǒng)

作為整合各個子站數(shù)據(jù)、聯(lián)通現(xiàn)場設(shè)備與人機(jī)界面的中樞，主站控制系統(tǒng)是整個控制系統(tǒng)的核心，其功能性與可靠性是系統(tǒng)穩(wěn)定易用的保證。

3.2.1 主站系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)系統(tǒng)需求，主站硬件構(gòu)成如下：

(1)網(wǎng)絡(luò)通信模塊：使用以太網(wǎng)光纖交換機(jī)，具備千兆光纖接入能力，以應(yīng)對遠(yuǎn)程通信需要。具備若干個千兆以太網(wǎng)電口，方便連接控制器，及人機(jī)界面電腦。

(2)控制器模塊：具備以太網(wǎng)口，方便與其他設(shè)備通信，特別是連接網(wǎng)絡(luò)通信模塊。具有存儲和可編程功能，以實現(xiàn)主站對子站控制命令的下發(fā)，接收子站運行數(shù)據(jù)及狀態(tài)。一般使用可編程邏輯控制器PLC來完成這一工作。

(3)不間斷電源模塊：使用一臺在線式不間斷電源給主站控制器及人機(jī)界面電腦供電，以保證設(shè)備的安全可靠運行，減少意外斷電情況對系統(tǒng)的沖擊。

主站系統(tǒng)硬件框圖見圖4。

一個偶然的機(jī)會，我在一位收藏家朋友的票夾里看到幾枚1944-1946年由晉冀魯豫邊區(qū)政府發(fā)行的糧票，出于糧食工作的職業(yè)本能，我好說軟磨，硬是花錢將其買了下來，作為我的藏品。這是很珍貴的歷史文物，是我黨我軍光輝歷程的歷史見證，反映了糧食工作在中國革命歷史時期發(fā)揮的重要作用。自此我非常注意軍用糧票及有關(guān)資料的收集，翻開收藏的軍用糧票紀(jì)念冊，重溫我黨我軍的歷史，使我更加熱愛和珍惜現(xiàn)在的幸福生活。

圖4 主站系統(tǒng)硬件框圖Fig.4 Hardware block diagram of master station system

3.2.2 主站系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)

主站程序主要負(fù)責(zé)與上位人機(jī)界面的數(shù)據(jù)傳輸，及對子站命令的下發(fā)和運行參數(shù)的接收，主要由一些整體調(diào)用的通信處理子程序構(gòu)成，編程量較少，構(gòu)成如下：

(1)控制邏輯主程序：包整個系統(tǒng)運行邏輯的主要程序功能。

(2)網(wǎng)絡(luò)通信模塊：通過控制器標(biāo)準(zhǔn)S7通信控制程序，與子站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

(3)通信質(zhì)量診斷模塊：通過統(tǒng)計匯總通信控制程序反饋的運行數(shù)據(jù)，根據(jù)時間匯總算法判斷各個子站當(dāng)前的通信狀態(tài)，并提供通信異常報警。

(4)上位人機(jī)界面服務(wù)模塊：通過控制器標(biāo)準(zhǔn)上位機(jī)數(shù)據(jù)采集接口程序，為主站控制器與人機(jī)界面電腦提供數(shù)據(jù)交換服務(wù)。

圖5 主站系統(tǒng)程序框圖Fig.5 Program block diagram of master station system

3.3 子站控制系統(tǒng)

為了滿足控制系統(tǒng)離線運行時對風(fēng)機(jī)的控制，及簡化硬件設(shè)計的需求，一個可以廣泛適應(yīng)現(xiàn)場需求的標(biāo)準(zhǔn)化的子站設(shè)計勢在必行。

3.3.1 子站系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)現(xiàn)場需求，子站應(yīng)具備以下部分：

(1)網(wǎng)絡(luò)通信模塊：具備千兆光纖接入能力，以應(yīng)對遠(yuǎn)程通信需要。具備若干個千兆以太網(wǎng)電口，方便連接控制器。一般使用以太網(wǎng)光纖交換機(jī)。

(2)控制器模塊：具備以太網(wǎng)口，方便與其他設(shè)備通信，特別是連接網(wǎng)絡(luò)通信模塊。具有存儲和可編程功能，以實現(xiàn)對主站控制命令的邏輯運算與反饋子站運行數(shù)據(jù)及狀態(tài)給主站。配備通用型的通信接口，方便與變頻器等設(shè)備通信實現(xiàn)控制與數(shù)據(jù)讀取，同時還可以讀取現(xiàn)場傳感器的數(shù)據(jù)。擁有通用輸入輸出接口，以便與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接執(zhí)行相應(yīng)命令。一般使用可編程邏輯控制器PLC來實現(xiàn)。

(3)執(zhí)行模塊：包含電力儀表，變頻器及旁路啟動電路，以滿足風(fēng)機(jī)就地、遠(yuǎn)程、變頻、旁路、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等多狀態(tài)運行的需要。甚至是電動風(fēng)門的控制器也可以一并集成其中?？赏ㄟ^電力儀表檢測風(fēng)機(jī)電機(jī)運行的電參數(shù)，同時具備聲光報警功能，在啟動，故障等關(guān)鍵節(jié)點發(fā)出警告，提高安全性。

該模塊功能多、連鎖復(fù)雜、運行電流大、動作頻繁，除變頻器可根據(jù)風(fēng)機(jī)大小選用現(xiàn)成設(shè)備外，一般沒有現(xiàn)成設(shè)備可以直接選用，需專門按成套電控柜設(shè)計。

(4)傳感器系統(tǒng)：負(fù)責(zé)收集風(fēng)機(jī)運行所必須的環(huán)境數(shù)據(jù)，如空氣溫度、風(fēng)速、一氧化碳含量、濕度等數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)運行的記錄、決策、效能提供依據(jù)。需按照實際物理量來選擇合適的設(shè)備，以滿足測量和可靠性要求。

子站系統(tǒng)硬件框圖見圖6。

圖6 子站系統(tǒng)硬件框圖Fig.6 Hardware block diagram of sub-station system

3.3.2 子站系統(tǒng)程序設(shè)計

系統(tǒng)程序秉承為硬件服務(wù)的原則，相應(yīng)也采用的是單元化模塊化的設(shè)計思路，各個子站間除通信參數(shù)外完全相同。具有可復(fù)制性，具體構(gòu)成如下。

(1)控制邏輯主程序：包整個子站的運行邏輯的主要程序功能。含變頻器及旁路啟動電路的控制邏輯，以滿足風(fēng)機(jī)就地、遠(yuǎn)程、變頻、旁路、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等運行狀態(tài)的全狀態(tài)運行的需要。同時包含聲光報警的控制邏輯，在啟動，故障等關(guān)鍵節(jié)點發(fā)出警告，提高設(shè)備運行安全性。

(2)設(shè)備通信控制程序：完成變頻器及傳感器系統(tǒng)的總線數(shù)據(jù)通信，包括總線參數(shù)初始化、總線地址輪詢，總線數(shù)據(jù)命令下發(fā)、各地址通信故障上報及診斷、總線設(shè)備返回數(shù)據(jù)預(yù)處理等。

(3)執(zhí)行器模塊控制程序：將控制邏輯主程序的指令直接轉(zhuǎn)換為輸入輸出接口可以執(zhí)行的機(jī)器語言，供其執(zhí)行，以控制外部設(shè)備。

(4)與主站通信接口程序：直接發(fā)送未經(jīng)加工和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)將極大的占用數(shù)據(jù)帶寬，同時增加主機(jī)運行負(fù)擔(dān)及編程調(diào)試工作量。于是采用此程序，將子站采集和運行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)需經(jīng)過處理后，按照約定的固定格式發(fā)送給主機(jī)處理。將大大減少延時及主機(jī)運行負(fù)荷。

子程序系統(tǒng)框圖見圖7。

圖7 子站系統(tǒng)程序框圖Fig.7 Program block diagram of sub-station system

有了這樣一套泛用性極高的風(fēng)機(jī)控制子站系統(tǒng)，就能通過簡單的增減配置，實現(xiàn)從小型礦山到大型礦山的分布式通風(fēng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)適配，而免除了大量的設(shè)計調(diào)試工作，既縮短了設(shè)計開發(fā)周期、建設(shè)周期，又為使用單位節(jié)省了經(jīng)費，為系統(tǒng)集成商擴(kuò)大了利潤空間。

4 結(jié) 語

分布控制方式作為集中控制方式在通風(fēng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中的升級迭代，解決了集中式控制諸如通信網(wǎng)絡(luò)可靠性差，部署復(fù)雜，擴(kuò)展性差，建設(shè)成本較高等問題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了維護(hù)難度與使用成本。其具有的諸多優(yōu)勢是集中控制方式很好的替代。

通風(fēng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)作為井下通風(fēng)系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，在保證生產(chǎn)安全，提高效率，節(jié)省人力方面有著卓越的貢獻(xiàn)。而其本身也因全社會技術(shù)的快速進(jìn)步隨時在進(jìn)行快速迭代，一套高效可靠、部署靈活的通風(fēng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)能在當(dāng)下為井下通風(fēng)安全保駕護(hù)航。隨著礦山建設(shè)的進(jìn)行，還能為企業(yè)節(jié)省設(shè)備投資與人力投入。豐富的數(shù)據(jù)與可靠的通信鏈路也為即將到來的大數(shù)據(jù)、5G+做好了底層硬件準(zhǔn)備，為將來的智能數(shù)字礦山、智能通風(fēng)系統(tǒng)打下堅實的基礎(chǔ)。