基于PLC控制的煤礦通風(fēng)系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì)

譚桂玲 ， 井平安 ， 李 睿

（1.天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350；2.清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心，北京 100084）

煤礦通風(fēng)系統(tǒng)在整個(gè)礦井的安全生產(chǎn)中具有極其重要的作用，其能否正常運(yùn)行是煤礦是否達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)重要依據(jù)。煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的主要作用是對(duì)井下和井上進(jìn)行氣體交換，使井下空氣流通。在對(duì)井下煤礦進(jìn)行開采的過程中，會(huì)伴隨著瓦斯、含硫氣體等一系列有害氣體，同時(shí)開采設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生有害廢氣、殘熱、水蒸氣等等不利于工人勞動(dòng)的氣體，通風(fēng)系統(tǒng)能夠向礦井內(nèi)部輸送大量新鮮空氣，同時(shí)將有害氣體、殘熱、水蒸氣等交換到礦井外部，從而使礦井內(nèi)部空氣條件符合工人作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到改善工人作業(yè)環(huán)境的目的。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)安全生產(chǎn)的重視監(jiān)管力度不斷加強(qiáng)，為了保障電煤供應(yīng)，煤礦企業(yè)在加緊生產(chǎn)的前提下要注重生產(chǎn)安全。因此，對(duì)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的研究和學(xué)習(xí)在不斷加強(qiáng)，然而對(duì)實(shí)際煤礦通風(fēng)系統(tǒng)直接進(jìn)行研究或?qū)W習(xí)，存在一定的危險(xiǎn)性，并且研究成本較高。因此，亟需一種煤礦通風(fēng)模擬系統(tǒng)，能夠模擬煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行過程，并可以對(duì)相關(guān)煤礦通風(fēng)從業(yè)人員進(jìn)行相應(yīng)的培訓(xùn)。由此可見，煤礦通風(fēng)系統(tǒng)模擬系統(tǒng)的研制有著非常重要的意義[1-3]。

1 設(shè)計(jì)要求

為了使本設(shè)計(jì)能夠完全模擬礦井通風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)控制的要求，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)本煤礦通風(fēng)模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了如下的要求：

1）設(shè)備要具有手動(dòng)／自動(dòng)兩種及以上工作模式，能夠?qū)崟r(shí)顯示設(shè)備狀態(tài)，出現(xiàn)故障能夠?qū)崟r(shí)報(bào)警等功能。

2）設(shè)備要具備PID計(jì)算能力，要求能夠輸入模擬量壓力，輸出模擬量控制變頻器。

3）當(dāng)設(shè)備處于自動(dòng)模式下，能夠自動(dòng)檢測(cè)井下壓力值，當(dāng)檢測(cè)到井下實(shí)時(shí)壓力值低于安全下限時(shí)，能夠自動(dòng)啟動(dòng)兩組風(fēng)機(jī)，使兩組風(fēng)機(jī)同時(shí)開始工作，并能夠同時(shí)發(fā)出相關(guān)報(bào)警。

4）能夠模擬瓦斯當(dāng)量輸入，當(dāng)?shù)V井瓦斯?jié)舛瘸^程序設(shè)定上限值時(shí)，設(shè)備能夠發(fā)出指示和報(bào)警。

5）要求設(shè)備裝備溫度傳感器，能夠?qū)︼L(fēng)機(jī)組關(guān)鍵部位進(jìn)行測(cè)溫，例如風(fēng)機(jī)組定子和軸承的位置，當(dāng)該部位溫度超過設(shè)定值時(shí)，能夠自動(dòng)發(fā)出報(bào)警和提示。

6）具有風(fēng)機(jī)疲勞檢測(cè)功能，可以設(shè)定風(fēng)機(jī)最大累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，當(dāng)達(dá)到風(fēng)機(jī)設(shè)定累計(jì)運(yùn)行時(shí)間后，能夠自動(dòng)切換風(fēng)機(jī)組運(yùn)行，并進(jìn)行相關(guān)提示。

7）當(dāng)設(shè)備處于手動(dòng)模式時(shí)，要求具有防止風(fēng)機(jī)組頻繁啟動(dòng)的功能。

8）設(shè)備要具有風(fēng)機(jī)組機(jī)械卡死指示報(bào)警功能。

2 方案設(shè)計(jì)

按照設(shè)計(jì)要求，整個(gè)煤礦通風(fēng)模擬系統(tǒng)能夠完全模擬礦井主通風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過程，要求具備一鍵啟停、一鍵反風(fēng)、風(fēng)機(jī)故障時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制，可以從控制面板上實(shí)現(xiàn)故障模擬。具備以太網(wǎng)通信功能，可實(shí)現(xiàn)“礦井主通風(fēng)機(jī)變頻控制＋PLC控制＋遠(yuǎn)程監(jiān)控”自動(dòng)化控制。

通過分析設(shè)計(jì)要求可得，常用的通風(fēng)系統(tǒng)目前分為兩大類，抽風(fēng)式通風(fēng)和軸流式通風(fēng)；軸流式通風(fēng)又可以細(xì)分為兩類。通過分析對(duì)比優(yōu)缺點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)確定采用軸流式通風(fēng)系統(tǒng)，該模擬系統(tǒng)能夠完全模擬礦井軸流式風(fēng)機(jī)運(yùn)行的全過程，設(shè)備整體設(shè)計(jì)分為機(jī)械和電氣控制兩部分。機(jī)械部分包括進(jìn)風(fēng)巷、井下巷道、出風(fēng)巷、防爆壓蓋、兩臺(tái)軸流式風(fēng)機(jī)、兩套風(fēng)門閘板等設(shè)備；電氣控制部分包括西門子S7-300 PLC、變頻器、控制面板、觸摸屏和控制軟件等[4-7]。軸流式通風(fēng)系統(tǒng)三維模型如圖1所示。

圖1 軸流式通風(fēng)系統(tǒng)三維模型

3 程序流程設(shè)計(jì)

根據(jù)所選擇的軸流式排風(fēng)系統(tǒng)，所設(shè)計(jì)的煤礦通風(fēng)模擬系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程示意圖

4 使用方法

對(duì)于風(fēng)機(jī)和閘門運(yùn)行方式的控制，選擇在觸摸屏控制面板進(jìn)行控制的方式，同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)開關(guān)，在旋轉(zhuǎn)開關(guān)上設(shè)置三個(gè)不同的檔位，分別對(duì)應(yīng)手動(dòng)、集中、遠(yuǎn)程三種控制方式，當(dāng)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)開關(guān)轉(zhuǎn)到某一檔位時(shí)，在觸摸屏面板上選擇對(duì)應(yīng)的模式進(jìn)行相關(guān)風(fēng)機(jī)和閘門的控制。旋轉(zhuǎn)開關(guān)如圖3所示。

圖3 【遠(yuǎn)程－集中－手動(dòng)】轉(zhuǎn)換開關(guān)

手動(dòng)即就地控制模式，當(dāng)設(shè)置的旋鈕打到手動(dòng)模式時(shí)，可實(shí)現(xiàn)本煤礦模擬通風(fēng)系統(tǒng)單臺(tái)風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)和停止以及風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)閘門的單獨(dú)開閉，在進(jìn)行上述操作時(shí)相應(yīng)的狀態(tài)指示燈也會(huì)亮起，以起到提示處在某種狀態(tài)的作用。在手動(dòng)模式下，可以使用電位計(jì)旋鈕模擬的風(fēng)壓、風(fēng)量等參數(shù)，每一臺(tái)風(fēng)機(jī)都可以通過反饋過來(lái)的需求風(fēng)量，對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行變頻器調(diào)節(jié)。

當(dāng)旋鈕處于集中控制模式下，風(fēng)機(jī)和與之對(duì)應(yīng)的閘門可實(shí)現(xiàn)一鍵啟動(dòng)、停止或者反風(fēng)操作，同時(shí)可以通過觸摸屏界面顯示各設(shè)備的狀態(tài)。集中模式狀態(tài)界面如圖4所示。

圖4 集中模式狀態(tài)界面示意圖

當(dāng)開關(guān)檔位調(diào)整到遠(yuǎn)程模式時(shí)，可以通過觸摸屏界面上【單機(jī)】、【聯(lián)動(dòng)】按鈕，對(duì)風(fēng)機(jī)和閘門進(jìn)行控制；不同的風(fēng)機(jī)既可以單獨(dú)啟停，也可以聯(lián)動(dòng)啟停，不同的閘門之間也可以根據(jù)需求進(jìn)行單獨(dú)開閉或者聯(lián)動(dòng)，當(dāng)按下聯(lián)動(dòng)按鈕后，若一臺(tái)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障會(huì)自動(dòng)報(bào)警并自動(dòng)切換開啟另一臺(tái)，與之相對(duì)應(yīng)的閘門也在互鎖關(guān)聯(lián)狀態(tài)下自動(dòng)切換。同時(shí)，當(dāng)處在本模式下風(fēng)機(jī)和閘門也可根據(jù)上一級(jí)或當(dāng)前系統(tǒng)調(diào)節(jié)，自動(dòng)啟?；蚍达L(fēng)。如圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)組態(tài)界面示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)煤礦通風(fēng)模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)真實(shí)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的模擬。本模擬系統(tǒng)能夠用于煤礦企業(yè)對(duì)新員工進(jìn)行相應(yīng)的通風(fēng)培訓(xùn)，可以讓研究煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的相關(guān)人員在不進(jìn)入實(shí)際生產(chǎn)煤礦的情況下，初步研究煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的整個(gè)工作流程，還可以作為煤礦通風(fēng)新技術(shù)的初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)及相關(guān)院校專業(yè)學(xué)生模擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)[8-12]。本模擬系統(tǒng)通過PLC和變頻器的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)故障時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換、控制面板故障模擬、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，實(shí)現(xiàn)了礦井通風(fēng)自動(dòng)化控制功能的完全模擬，為后期研究礦井通風(fēng)系統(tǒng)提供了參考。