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主通风机不停风倒机控制系统

一、系统概述

1、总体要求

1.1、本技术方案适用于主通风机不停风倒机控制系统的功能设计、结构、性能、安装和调试、验收等方面的技术要求。

1.2、所有相关设备保证按规范设计制造，在正常情况下均能安全、持续运行，而无过度的应力、振动、温升、腐蚀、老化问题。采用技术先进、成熟、可靠的设备及部件。

1.3、保证提供的所有设备及部件均为全新合格产品，技术先进成熟可靠、质量优且组合布置合理，产品符合安全、节能和环保要求；没有设计、材料及工艺上的缺陷并且适合和满足在用户当地环境及生产工艺、人身安全、劳动保护、工况条件下安全可靠、正常稳定运行达到生产使用要求；设备故障率低、维护方便，使用寿命周期费用低。

1.4、本技术方案中所使用的标准，如果与现行使用的有关国家标准以及部颁标准有明显抵触的条文，按国标或部颁标准执行。设备采用的专利涉及到的全部费用均已包含在设备报价中。

1.5、保证所交付的技术文件资料是完整的、清楚的和正确的，并且能够满足备安装调试、生产使用、性能考核、操作和维修的要求。保证用户要求及时派遣合格技术人员赴现场提供技术服务和培训。

1.6、承诺在质量保证期后长期优先、优价供应备品配件。系统能够实现保护完备、远程诊断以及优化调度等功能，有关人员可通过网络用标准化的、统一的3D图形界面了解煤矿主通风机实时运行情况。

煤矿主通风机是矿井安全生产中不可或缺的重要设备，其作用是保证矿井内空气质量，有效控制和稀释瓦斯等有害气体的浓度，确保矿工的工作环境安全

2、系统功能

2.1系统组成

矿井主通风机不停风倒机系统由核心控制单元PLC、执行机构、传感器、人机交互界面等部分组成。

2.2工作原理

该系统通过PLC编程软件等，实现主备风机的无缝切换，避免传统倒机方式带来的供风中断或不稳定现象。

2.3核心控制技术

PLC：采用西门子旗下的S7-1200系列PLC作为控制核心，提高系统的可靠性和稳定性。

2.4自动化水平提升

一键式操作：实现了“一键式”自动倒机操作，极大简化了操作流程，降低了人为操作失误的风险。

实时动态监测：监控系统能够实时动态监测通风机的运行状态，及时发现并处理可能出现的问题。

2.5安全保障措施

自动识别故障：系统具备通风机故障自动识别功能，能够迅速做出反应，自动进行倒机操作以避免安全事故。

2.6监控软件设计

组态软件：利用组态软件杰控实现监控软件的设计，提供了直观友好的用户界面，便于操作人员监控和管理。

2.7应用效果

提高自动化管理水平：系统的实施提高了矿井自动化管理的水平，减少了对人工操作的依赖，提高了通风系统的整体安全性和可靠性。

解决瓦斯超限问题：通过实现不停风自动倒机，有效避免了倒机期间可能发生的瓦斯超限问题，为矿工提供了一个更安全的工作环境。

二、系统建设

1.系统遵循的标准

主通风机不停风倒机系统设备的设计、制造、包装、运输、安装、运行、验收符合适用的中国最新版国家标准（GB）或行业标准（MT），符合现行《煤矿安全规程》（2022）版的要求。

技术标准:

2.系统建设的内容及意义

煤矿主通风机不停风倒机系统建设的内容主要是：系统采用西门子S7-1200系列PLC对主通风机相关设备进行实时监测和控制，并采用先进的西门子博图编程软件和FameView监控平台软件，通过网络设备实现和变频器与控制系统之间的通讯数据交换，对重要设备进行监控，全面保障主扇安全运行，最终实现系统运行后，设备稳定，运行可靠，系统安全，达到监、管、控一体化的远程无人值守的目的。

3.方案总体设计原则

 本设计本着架构合理、安全可靠、低成本、低维护出发点，以高水准、高质量、高性能价格比为目标，依据煤矿主通风机自动化系统建设的实际应用要求和发展趋势进行设计，保护用户投资。

总体方案设计遵循以下设计原则：

? 可靠性、可控性

可靠性是系统具有实用性前提。针对矿山安全生产的特殊要求，设计高可靠性系统。可控性是系统提高实用性的前提。针对矿山生产设备，为了提高生产效率，降低故障率，必须依据严格的操作权限进行控制。

? 实用、准确性

煤矿主通风机自动化系统的实用性体现为功能实用、数据实用、业务实用、操作实用。准确性体现为实时数据采集准确、管理数据有理可依。

? 先进性

先进性是指选用的软、硬件设备是经过实践检验的成熟产品及先进技术。选用先进、可靠的软件和硬件，以提升系统的技术性能，延长使用寿命，提高系统的可扩展性，目标在未来的相当一段时间内不会被淘汰。

? 安全性

煤矿主通风机自动化系统的安全性即指网络安全、及权限安全等。网络安全必须配备完善的安全保密措施（如防火墙、防病毒等），以保证系统安全稳定地运行；权限安全必须制定统一的身份认证体系，以保证越权操作导致的不安全性。

? 互联性和可扩展性

煤矿主通风机自动化系统在总体结构、系统容量、数据传输、业务扩展、接口设计等方面提供良好的可扩展性和灵活性。平台数据存储结构的设计在充分考虑其合理、规范性要求的同时，考虑其可维护性和可扩展性，对数据库的修改维护可以很方便地在短时间内完成。

? 易操作性

针对矿山工作人员的技术特点，提供先进且易于维护的人机界面功能，提供信息共享与交流、信息资源查询与检索等快速工具。

4.方案实施大纲

（1）煤矿主通风机不停风倒机控制系统选用1套高性能的西门子S7-1200系列CPU控制，柜内元器件为主流一线品牌。PLC控制柜能够采集电机绕组温度、轴承温度、振动、电机电流、风速、负压等模拟量信号，能够采集高低压柜状态、蝶阀开关状态以及风机系统相关设备等开关量信号，同时能够对高低压柜、蝶阀及风机系统相关设备进行控制，用以实现远程无人值守、一键启停风机、一键不停风倒机、故障自动倒机等先进的自动化功能。

（2）安装1台大容量不间断电源，容量为3KVA。保证进线电源断电后系统不断电2小时。

（3）安装压力变送器，压力变送器直接安装于风门控制屏柜上，可避免因冬夏温差较大引起的压力不准确情况。

（4）安装振动传感器，全面了解主扇风机在运行过程中振动量，提高机械效率和延长机械寿命等。

（5）PLC控制系统与电力监测模块建立数据通讯，采集电压、电流等电力数据信息。

（6）配置工控机，对上位机组态，组态软件采用杰控组态软件，组态范围包括三维立体动态显示系统画面、高低压柜状态画面、数据监视画面，数据曲线画面、故障记录画面、报表画面。

（7）部署1套完善的视频监控系统，可实现真正意义上的无人值守。系统将采用防爆摄像仪与普通摄像仪搭配使用的方案，其中防爆摄像仪凭借其特殊防护性能，专门用于监视风机周围易燃易爆等危险环境下的情况，实时捕捉设备运行状态、人员操作规范等细节；普通摄像仪则主要负责监控风机值班室和配电室，清晰记录值班人员工作状态、设备仪表数据变化等信息，确保各个关键区域都在有效监控范围内，为风机的安全高效运行提供坚实的保障。

（8）用户除在web端登录查看操作，方便快捷操作。

5.系统可实现的功能

实现功能简介：

（1）完成对风机的运行过程实时检测、显示、控制、保护、报警、记录和管理，实现风机的自动化控制、监视和管理；

（2）采集通风系统电气参数和设备运行状态参数等，并实现通风机及其辅机设备的联锁控制，对通风机运行参数的风压、风量、风速、风机振动、电流等进行监测，并采集温度参数，对电机温度等进行监测，当参数异常时，系统报警；

（3）对风机风门监控，可远程监测风机风门的到位状态，可远程控制风门的开和关；

（4）对风机启动柜的起停控制，可反转，并监测其运行状态、轻故障告警，重故障停车且自动切换到处于热备用的风机；

（5）对高压进线柜的合分闸控制，并监测合分闸信号，可进行电压合格率判别、负荷情况统计；

（6）自诊断功能：系统应具备自诊断功能，及时发现仪表、变频器故障，并予以报警；

（7）一键启/停:在系统没有故障情况下，通过一键操作，按照风机工艺流程对相关设备进行顺序启停，操作简单方便；

（8）一键不停风倒机：当一台风机系统运行时，需要切换至另一台热备风机系统时，通过一键倒机自动将蝶阀和开关柜切换至备机达到正常状态，实现一键切换至另一台风机。

（9）一键复位和故障自动倒机：当系统处于远程手动操作方式下，某套设备出现故障造成风机停机时，可以单击一键复位按钮进行故障复位，无法故障复位时系统会自动启动另一台设备，同时停止故障设备，保证井下通风可靠，实现尽快恢复正常通风。当系统处于远程自动操作方式下时，故障复位由PLC自动完成，如无法故障复位，则进行自动倒机。

（10）一键反风：当需要进行反风试验时，点击一键反风操作，系统自动按照反风工艺流程对相关设备进行启停控制；

（11）上位机以三维动画图形动态模拟风机的运行情况，风门的开闭情况；现场实时监测数据的各种动态图形及数字显示：文字显示、棒图显示、模拟表盘显示功能，这些显示同时具备颜色预警（正常、警告、报警）功能。

（12）系统预留多个以太网接口，可通过煤矿环网并入矿井综合自动化管理系统，提供通讯协议和数据点表，以便矿方实现进一步数据上传。

6.系统工艺配置图

图1主通风机不停风倒机系统配置

主要功能：

· 和上位机联网

· 负责构筑现场总线

· 蝶阀控制

· 风机控制及联锁

· 控制系统故障监控、报警

· 故障诊断、记忆

· 故障倒机、一键启停、一键不停风倒机

· 风机温度、振动监视

· 视频监控

· 变频装置故障监视

PLC完成整个系统的控制与监视主通风系统电源、蝶阀、变频器、风门等外围设备信号采集并实现顺序联锁控制，完成主扇通风机运行工艺要求的控制功能及各项安全保护，实现对变频控制系统频率给定的控制，通讯、运行及故障状态监测。完成系统故障分层次保护，实现完善的保护功能。

PLC系统集成远程诊断功能。各种重要技术参数和系统故障均分类存贮，供厂家工程师人员在远程查询系统故障出现的位置、原因，以及相应的处理方案。远程故障诊断技术，是利用远程网络系统在异地对远程的现场设备实施监视、测试，并根据测试数据进行故障的预报和诊断。主要通过故障诊断模块（包括数据库、记录专家知识的知识库及推理机制）对于一些常见、多发故障，可通过故障诊断模块实现。

7.上位机组态软件

组态软件系统是集多年工程应用、开发和服务经验,基于Windows操作系统平台,独立研制开发的高性能组态监控平台软件,其运行稳定、速度快、简单易用、功能强大、扩展性好,能为用户提供经济完善的工业自动化监控解决方案。已经被成功应用于冶金、化工、电力、配电、环保、筑路、核辐照、烟草、啤酒、铁路、煤炭、楼宇、水处理、锅炉、码头输送、风电、光伏、企业信息化等各个行业,适合大中小型自动化项目应用。

上位机组态软件选用杰控科技FameView 7.6版本组态软件，数据库选用微软SQL SERVER 2008版本数据库软件。具有以下特色：

? 百炼成钢

自进入市场以来,经过许多超大规模项目磨练(如首都机场 T3、深圳地铁、承钢、奥运开闭幕、北京 燃气等),已经发展成为稳定、快速、强大的组态软件,完全可以替代进口软件;  

? 核心稳定

开发初期,便撇弃当时流行的 Windows95/98 操作平台,而以 Windows NT 作为开发平台,全部代码采用VC++进行编写,并自然过度到 Win7/Win8/Win10 平台,所以是纯 32 位代码,多任务并发系统,保证软件系统内核先进和稳定,无内存泄露,能长期运行,被誉为"不会死机"的组态软件。

? 适合 PLC/DCS 应用

始终把可编程控制器(PLC)和 DCS 作为适用对象,定位自动化应用中高端,专门设计设备数据表,能对数据进行批量处理,多线程同时连接通讯设备,通讯速度和稳定性倍受赞誉;  

? 功能强大

除提供通讯、运行数据库、画面、报警、历史数据等功能外,还提供实用的数据库应用、配方、数据 服务、报表、网络服务、串口服务、Web 服务、远程连接等;

? 行业特色

无法适用所有行业和用户,但对所涉及行业却表现非常出色,如环保、筑路、配电、水处理、核辐照、 纺织、烟草、数据集成等;因为我们一直致力于为用户提供专业且易于使用的产品,把用户行业特色 作为开发目标,所以我们拥有众多的行业用户,能为他们提供最适用的产品和方案;强功能,许多棘手问题总能迎刃而解;

8.上位机组态系统功能

8.1实现功能：

(1)、实现通风机监控系统的监控功能，后台监控软件能对各种重要技术参数和系统故障均分类存贮，供维护人员查询，为维护人员提供系统故障出现的位置、原因以及相应的处理方案；对操作方式和故障点具有语音提示功能；利用交换机，能和矿级网络以及外网做通讯，达到远程诊断的目的。

(2)、上位监控软件能对系统的重要参数及运行状态进行实时检测，并随时将数据保留至少1年以上。上位监控软件具有故障诊断功能，能显示和打印故障发生位置和时间，故障解除时间。以第一故障判断系统和智能故障预测分析软件为核心，加强对主通风所有数据的自处理功能，提高系统的自动化运行和检测能力，实现系统故障的预报警和故障时的第一故障判断，减少维护人员的维护量，减少现场的操作人员，提高系统的使用率。上位监控管理软件能实现通风机动态模拟仿真演示，同时具有与PLC通讯及与矿井管理系统联网的功能。

(3)、报表功能

1）支持报表系统（实时数据展示、历史报表、报警报表、设备运行数据报表等），可根据需求自定义报表，并打印。

2）生产报表包括：生产详细日报、月报等，支持设备开停记录统计、开停累计时间统计、故障报警信息统计。

3）系统具备自定义报表功能，集成 Microsoft Excel 等应用程序。可在 Excel 表格中自动生成报表。

4）根据设定时间自动生成报表。可以任意配置时间，可以按日、周、月、旬等生成报表。

(4)、事件记录、查询报警功能

1）事件记录：系统对所有涉及系统配置操作，控制的操作及一些重要的操作，都自动进行完 整的记录，包括：操作时间、操作者、事件描述等。为事故追查及重演提供重要的信息。

2）历史趋势显示：趋势显示可以调用历史数据曲线和数据，可在趋势图上切点查勘任一时点 的值。

3）历史数据存储与检索功能：对设备运行工况数据按照秒单位存储，系统默认存储时间 365 天。

4）报警显示：系统可按时间或者时间段统计查询报警个数，并按类别等级等条件查询。对于 需要报警的变量给出报警提示，以颜色闪烁或提示框等方式直观的表现，并有专门的报警窗口可以 查看历史报警；在条件具备的情况下具有分级短信报警功能。

5）具备在线组态设计功能：系统具备画面设计、动画连接、脚本编写等功能，还应具备对变 量的报警、趋势曲线组态等重要功能。

(5)、实时报警功能(含预警、报警、语音功能)

1）为用户提供各类监测系统的实时报警信息包括超限报警、开关报警、系统在接设备的故障记录，并可设定组合报警。报警内容需通过语音方式播报，并配置声光装置。

2）对已接入的测点进行自动分类监测、处理，由已接入测点的设置和一段时间内的历史数据，根据预警值算法计算得出该测点的预警参考值，并由此参考值对测点的实时值进行处理得到测点的预警状态。实现在没有达到报警状态前就掌握目标的变化趋势，让各种超限报警消失在萌芽状态。

8.2控制方式：

1、控制模式：

远程、就地、检修三种控制方式。

1.1、远方控制方式

远程控制模式：进线柜、风机驱动柜、风门控制转换开关须在“远程”模式， 在数据监控操作平台实现进线柜合分闸和启停主扇风机功能。

1.2、就地控制方式

手动控制模式：进线柜、风机驱动柜、阀门控制转换开关须在“就地”档位， 操作进线柜合分闸按钮、风机驱动柜启停按钮、阀门开关按钮来实现进线柜的合分闸、风机启停、风机阀门开关。

1.3、检修方式

检修控制模式：用于主扇风机检修和调试，对主扇风机、阀门进行点动操作。

1.4、控制程序设计功能

1.4.1 一键启动流程：打开风机蝶阀，风机阀门开到位之后启动一、二级通风机。

1.4.2 一键停机流程：停止风机的一、二级通风机，延时关闭风机阀门。

1.4.3 故障报警：电机电流、定子温度、轴承温度、振动报警可设置上限、上上限，当到达上限立即发出报警，到达上上限发出报警并停机，同时启动备用风机。

1.4.4 可实时显示 PLC 采集的全部数据，并能通过电脑操控台进行操作。

1.4.5 能实时监测数据的历史趋势及实时趋势，并可绘制通风机的各项参数的曲线，通过打印机输出。

1.4.6 各种监测数据的存储及查询。系统默认保存数据 365 天，能设定的时间查询、打印，各数据的变化趋势、历史数据表格。

1.4.7 可实现各工况状态点显示、事故报警语音功能，可在通风机的性能曲线上显示通风机运行的工况状态点，通风机运行出现异常时，系统能在各相关界面给予预真人发声语音报警提示并自动记录，以便事后分析。

1.4.8 提供图纸详细说明，通风机在线监测装置与通风机电控装置的接口情况。

1.5 就地告警功能

操作台配有声光报警器，用于故障和告警状态声光告警和远方启机、倒机前预警功能。

升级改造后的主画面以三维立体动画图形动态模拟风机的运行情况，电机的运行状态，电动执行装置的动作过程以及风流的流向都以三维立体动态显示，可以更直观的表现风机的运行状态，各个功能性风门的开闭状态以及开关过程中的动态模拟显示，都可以更形象的展现场实时的状态。实现单机操作、一键式启停操作、一键式倒机操作、故障倒机等操作画面，实现主扇通风机远程控制。风机三维立体效果图如下图所示：

图3 主通风机3D组态画面

图4 主通风机上位机画面