矿用风机远程集控无人控制系统及方法与流程

1.本发明涉及智能矿山生产技术领域，尤其涉及一种矿用风机远程集控无人控制系统及方法。


背景技术：

2.矿用通风系统是矿产开采安全生产的最重要系统之一，它不仅能够为井下工人源源不断的输送氧气，而且也是稀释和排出井下有毒有害气体最有效的手段，合理的矿用通风系统是井下工人安全健康劳动和防灾抗灾的重要保障。由于矿山井下环境时常发生变化，要求供风系统也需要动态变化，风机的运行状态直接关系到整个采矿的安全生产和经济效益。为了提高风机工作的可靠性和稳定性以及安全性，风机远程监控系统成为主流监控方式，但现有技术中的风机远程监控系统远程控制中心和就地控制中心的传输速度较慢，运行控制稳定性不高，难以达到使用者对该系统传输速度快、安全稳定的性能要求，虽然目前使用的风机变频启动柜门装有风机就地启停及调速旋钮，配置有电压、电流、频率显示仪表，但是还没有风机保护传感器及自动化控制系统。本方案拟对风机操作控制与在线监测系统进行完善，升级为plc集中控制系统，在地面可以实时监控风机的运行状态，将风机的操作控制与在线监视控制功能合二为一，利用集控中心配置的工业控制计算机实现风机的远程集中监视及控制，保证矿产作业面的安全、持续的生产，提高生产效率。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种矿用风机远程集控无人控制系统及方法以解决现有控制系统传输速度较慢、运行控制稳定性不高的问题。
4.本发明所提出的矿用风机远程集控无人控制系统，包括：风机设备，地面远程集控中心站，传输网络，交换机，plc控制器，所述风机设备包括风机本体、风机变频启动柜、在线监测传感器检测接口、传感器组成、摄像头、报警器，所述地面远程集控中心站包括pc工作站、后台监测系统和中控显示屏，所述传输网络包括工业以太网和profinet网络多种通讯方式；所述交换机包括核心交换机和区域交换机，所述plc控制器包括主控制器cpu、触摸屏、数字量卡件、模拟量卡件，具有数据采集及处理功能，用于风机启动柜、传感器信号的接入及输出控制，cpu具备profinet多种网络通讯方式，所述pc工作站具有与plc的通讯接口。
5.所述风机设备包括三台，且每台风机设备都安装连接有一套plc控制器。
6.所述传感器组成包括电机电压传感器、电流传感器、转速传感器、电机温度传感器、风压传感器，风机振动传感器。
7.所述该控制系统外部接口设备参数为：电源电压3ac 380v，电压波动范围为电压偏移
±
7％，电压波动
±
10％，电源频率为3相50hz。
8.所述plc控制器采用西门子公司s7-1200系列可编程控制器，配置输入输出卡件，实现风机启动柜、传感器信号的接入及输出控制。
9.如权利要求1-4任意一项所述的矿用风机远程集控无人控制系统的控制方法，其
特征在于包括以下步骤：1)在风机设备外部设置可编程控制器plc，配置plc输入卡件，完成风机变频启动柜的操作控制及状态监视，实现风机的工艺启停控制和逻辑闭锁控制；2)建立地面集控中心站，以工业pc机作为风机集中监视及操作平台，内置上位监控软件，形成风机后台监控系统，模拟显示风机的运行状态和参数；3)设置风机工艺运行保护参数，以数据库的方式记录风机的实时运行数据，工作特性曲线；4)通过设置风机变频启动柜和传感器组成实现风机的就地单控和远程集控两种操作方式，根据不同的控制需求选择特定的操作方式；5)风机设置在线监测传感器检测接口，包括电机电压、电流、转速、电机温度、风压，风机振动数值传感器，根据风机工艺运行需求指标，达到限值报警器自动报警，保证风机安全运行。
10.所述步骤4)中就地单控的此模式中，风机的启停由安装在控制箱盘面上的操作按钮实现，风机速度给定由专用旋转按钮实现或者组态界面虚拟给定旋钮实现；所述远程集控方式下，风机的启停操作由置于集控中心的pc工作站实现，操作人员通过人机交互界面实现风机的一键启停操作；
11.所述还包括可以将风机的启停控制和安全保护控制分开处理，涉及风机安全保护的相关功能单独成子系统，安全保护子系统能够实现风机保护信号的检测并根据预置的软件保护逻辑采取相应的保护动作，如发出声光报警。
12.所述在控制系统中可任意设定风机的运行速度，实现1hz-50hz电机频率的连续给定，并井下实际的风量需求，调整风机运行频率。
13.所述该控制方法设计监控对应多个操作级别，对各个级别的操作都设置密码，并能记录操作人员工号、操作内容、时间等，防止非法操作，对于关键设备的启停控制，设置操作人员登录管理功能，只有具备操作权限的人员才能在监控计算机上对设备进行远程操控，有效防止非法操作及误操作。
14.本发明所提出的矿用风机远程集控无人控制系统及控制方法结合当前计算机技术，以工业pc工作站作为硬件平台，网络技术，自动控制技术plc控制器、实现风机控制系统plc系统组态、控制程序管理，人机界面的开发及管理，实现主扇风机人机界面运行及实现人机对话功能仪器仪表，实现对矿井主扇及井下局部风机的自动化、无人化建设，降低人员的劳动强度，满足系统可靠性和安全性要求，pc工作站具有与plc通讯接口，可对控制系统内的plc进行编程，具有整个通风系统的监控功能，监控计算机能通过以太网接口，上传监控参数，支持远程操控。
附图说明
15.附图1为本发明所提出的矿用风机远程集控无人控制系统及控制方法的风机控制架构图。
具体实施方式
16.参见图1，矿用风机远程集控无人控制系统及控制方法，包括风机设备1，地面远程集控中心站2，传输网络3，交换机4，plc控制器5，所述风机设备1包括风机本体、风机变频启动柜12、在线监测传感器检测接口、传感器组成13、摄像头14、报警器，所述地面远程集控中心站2包括pc工作站21、后台监测系统和中控显示屏22，所述传输网络3包括工业以太网和
profinet网络多种通讯方式；所述交换机4包括核心交换机和区域交换机，所述plc控制器5包括主控制器cpu、触摸屏，数字量卡件、模拟量卡件，具有数据采集及处理功能，用于风机启动柜、传感器信号的接入及输出控制，cpu具备profinet多种网络通讯方式，所述pc工作站21具有与plc控制器5的通讯接口，可对控制系统内的plc进行编程，具有整个通风系统的监控功能，监控计算机能通过以太网接口，上传监控参数，支持远程操控。
17.其中风机设备包括三台，且每台风机设备都安装连接有一套plc控制器5，所述plc控制器5核心控制元件采用西门子公司s7-1200系列产品，plc柜内置主控cpu及数字量、模拟量卡件，具备数据采集及处理功能，cpu具有profinet等多种网络通讯方式，扩展能力强，plc软件程序采用中信重工主扇风机控制系统软件产品，能够满足风机各种工艺及功能需求；具有完善的逻辑控制，连锁；安全保护可靠，齐全。
18.其中，plc控制柜配置一套plc系统，负责风机工艺控制及软件安全保护功能，通过编制风机运行专用控制软件，确保风机的安全运行，具体实施为：
19.1)可编程控制器i/o点冗余15％；以备现场损坏点的更换以及其他功能的加入，完成风机就地单动、远程集控等运行方式的控制要求；
20.2)盘面安装10.2
″
tft液晶显示，实现风机就地状态监视及控制；
21.3)柜内安装工业交换机，光纤通讯远传接口模块，通过工业以太网接入集控中心；
22.4)柜内安装小型ups 1台，plc电源稳压控制和后备运行；
23.5)与变频器配合实现风机转速的调节功能；
24.远程控制时，设备的控制和状态显示、报警均由集控中心后台监控系统实现，每个风机控制站点设置就地与远控操作接口，现场操作时，可单独控制每台风机，实现现场风机的启动、调频操作，也可以实现远程单台风机的调频正反转操作。当任意风机故障时，可远程急停故障风机。
25.通常以远程操作为主，检修或故障时可采用就地控制，远程/就地的优先级根据客户要求确定，或采用互锁方式进行。
26.每个风机房plc控制站形成相对独立控制系统，能独立运行，每台控制柜盘面设置人机界面，就地操作时，可显示系统状态。
27.所述传感器组成包括电机电压传感器、电流传感器、风速传感器、电机温度传感器、风压传感器，风机振动传感器，所述电机电压传感器用于控制系统实时监测电机电压，电机电流，启动柜状态信号，实现风机主电机的保护控制；所述风机振动传感器安装于风机本体上，x轴及y轴各一只，采用磁吸式或者支架固定安装，用于实时检测风机的径向x轴及y轴的振动量，并送入plc自控系统，实现风机振动检测及保护，标准4～20ma输出；
28.所述风压传感器用于风压监测，可对矿井风机、风门密闭、通风巷道等地的差压进行连续监测，实时实地显示被测点的差压值，检测单台风机的实时风压；设置的风速传感器，用于检测各局部风机的实时风速，输出标准的模拟信号。其中还包括传感器自检：控制软件根据传感器反馈值，自动判断传感器的工作状态，包括传感器断线、检测值异常等；系统的其他保护：控制软件自主实现与系统运行相关的安全保护控制；其中风压传感器主要技术参数如下：
29.1)工作电压：dc 9v～24v
30.2)工作电流：直流18v不大于100ma
31.3)基本误差：
±
2％
32.4)输出信号：4～20ma
33.5)信号传输距离：2km
34.6)测量范围：0kpa～5kpa
35.7)过载能力：200％最大测量值
36.其中风速传感器的主要技术参数为：精度：
±
1m/s
37.启动风力：0.2m/s
38.电流输出型
39.量程：0～32.4m/s
40.供电电压：12v～24v dc
41.输出信号：4～20ma
42.负载能力：≤500ω
43.其具有：体积小巧，携带方便，安装简捷，测量精度高，量程宽，稳定性好，数据信息线性度好，信号传输距离长，抗外界干扰能力强的的性能优点。
44.所述温度传感器，是利用风机电机绕组内预埋的测温电阻，接入自动化系统，进行温度监测。对于电机无预埋的风机，增加外贴式传感器2个，安装于风机电机壳体上，监测电机绕组及传动测轴承温度，标准pt100信号或者4～20ma输出；所述电流、频率检测，由plc柜配置支持rs485电气接口的模块，采用标准通讯协议与风机变频器通讯，采集风机运行电流及频率信号。
45.其中风机的动态、静态画面生成，如设备概况、供电系统工作状态、运行过程动态、速度动态曲线、电流动态曲线、风压、风速实时曲线，保护系统的各种类保护动作状态等在中控显示屏上体现。该控制器采用图形、趋势图和数字形式直观地显示风压、风速，电机的电参数，通过风机机组预埋的振动、温度探头采集显示风机的振动、温度等动态值，超限报警，自动记录故障类型、时间等历史数据，以提醒巡检人员及时检修。用实时趋势图方式和数字形式准确实时地显示电量时、月、年累计，形成统计报表，对整个系统正常运行时的所有参数例如：电压、电流、振动、温度、压力、风速、风电能等建立正常运行档案，能够累计计算各风机的运行时刻和累计运行时间等参数，记录过去某时刻系统所处的运行状态，并记录操作员的操作过程。
46.在系统运行过程中，运行参数与标准参数进行比较，超出报警值时则发出报警信号，同时采取相应的保护动作。该系统具有故障报警及保护功能，当运行的实时参数值发生变化但又没有到达报警阀值时，则发生预警，但系统不做任何保护动作。涉及到系统安全运行的保护信号，到达保护阈值后，系统自动触发保护动作，并发出报警信号，并能实现故障报警显示、记录和打印故障种类，发生时间、原因、故障解除时间等，并提供相应的诊断信息。
47.该控制系统和方法结合当前计算机技术，以工业pc工作站作为硬件平台，网络技术，自动控制技术plc控制器、实现风机控制系统plc系统组态、控制程序管理，人机界面的开发及管理，实现主扇风机人机界面运行及实现人机对话功能仪器仪表，实现对矿井主扇及井下局部风机的自动化、无人化建设，降低人员的劳动强度，满足系统可靠性和安全性要求。