譚桂玲 ， 井平安 ， 李 睿

（1.天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學院，天津 300350；2.清華大學基礎(chǔ)工業(yè)訓練中心，北京 100084）

煤礦通風系統(tǒng)在整個礦井的安全生產(chǎn)中具有極其重要的作用，其能否正常運行是煤礦是否達到安全標準的一個重要依據(jù)。煤礦通風系統(tǒng)的主要作用是對井下和井上進行氣體交換，使井下空氣流通。在對井下煤礦進行開采的過程中，會伴隨著瓦斯、含硫氣體等一系列有害氣體，同時開采設(shè)備也會產(chǎn)生有害廢氣、殘熱、水蒸氣等等不利于工人勞動的氣體，通風系統(tǒng)能夠向礦井內(nèi)部輸送大量新鮮空氣，同時將有害氣體、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)標準，達到改善工人作業(yè)環(huán)境的目的。近年來，我國對安全生產(chǎn)的重視監(jiān)管力度不斷加強，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，對煤礦通風系統(tǒng)的研究和學習在不斷加強，然而對實際煤礦通風系統(tǒng)直接進行研究或?qū)W習，存在一定的危險性，并且研究成本較高。因此，亟需一種煤礦通風模擬系統(tǒng)，能夠模擬煤礦通風系統(tǒng)的運行過程，并可以對相關(guān)煤礦通風從業(yè)人員進行相應(yīng)的培訓。由此可見，煤礦通風系統(tǒng)模擬系統(tǒng)的研制有著非常重要的意義[1-3]。

1 設(shè)計要求

為了使本設(shè)計能夠完全模擬礦井通風系統(tǒng)自動控制的要求，研究團隊對本煤礦通風模擬系統(tǒng)的設(shè)計提出了如下的要求：

1）設(shè)備要具有手動／自動兩種及以上工作模式，能夠?qū)崟r顯示設(shè)備狀態(tài)，出現(xiàn)故障能夠?qū)崟r報警等功能。

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

3）當設(shè)備處于自動模式下，能夠自動檢測井下壓力值，當檢測到井下實時壓力值低于安全下限時，能夠自動啟動兩組風機，使兩組風機同時開始工作，并能夠同時發(fā)出相關(guān)報警。

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

5）要求設(shè)備裝備溫度傳感器，能夠?qū)︼L機組關(guān)鍵部位進行測溫，例如風機組定子和軸承的位置，當該部位溫度超過設(shè)定值時，能夠自動發(fā)出報警和提示。

6）具有風機疲勞檢測功能，可以設(shè)定風機最大累計運行時間，當達到風機設(shè)定累計運行時間后，能夠自動切換風機組運行，并進行相關(guān)提示。

7）當設(shè)備處于手動模式時，要求具有防止風機組頻繁啟動的功能。

8）設(shè)備要具有風機組機械卡死指示報警功能。

2 方案設(shè)計

按照設(shè)計要求，整個煤礦通風模擬系統(tǒng)能夠完全模擬礦井主通風機現(xiàn)場運行過程，要求具備一鍵啟停、一鍵反風、風機故障時自動轉(zhuǎn)換功能，可實現(xiàn)手動控制，可以從控制面板上實現(xiàn)故障模擬。具備以太網(wǎng)通信功能，可實現(xiàn)“礦井主通風機變頻控制＋PLC控制＋遠程監(jiān)控”自動化控制。

通過分析設(shè)計要求可得，常用的通風系統(tǒng)目前分為兩大類，抽風式通風和軸流式通風；軸流式通風又可以細分為兩類。通過分析對比優(yōu)缺點，本次設(shè)計確定采用軸流式通風系統(tǒng)，該模擬系統(tǒng)能夠完全模擬礦井軸流式風機運行的全過程，設(shè)備整體設(shè)計分為機械和電氣控制兩部分。機械部分包括進風巷、井下巷道、出風巷、防爆壓蓋、兩臺軸流式風機、兩套風門閘板等設(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]。軸流式通風系統(tǒng)三維模型如圖1所示。

圖1 軸流式通風系統(tǒng)三維模型

3 程序流程設(shè)計

根據(jù)所選擇的軸流式排風系統(tǒng)，所設(shè)計的煤礦通風模擬系統(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

對于風機和閘門運行方式的控制，選擇在觸摸屏控制面板進行控制的方式，同時設(shè)計一個手動旋轉(zhuǎn)開關(guān)，在旋轉(zhuǎn)開關(guān)上設(shè)置三個不同的檔位，分別對應(yīng)手動、集中、遠程三種控制方式，當手動旋轉(zhuǎn)開關(guān)轉(zhuǎn)到某一檔位時，在觸摸屏面板上選擇對應(yīng)的模式進行相關(guān)風機和閘門的控制。旋轉(zhuǎn)開關(guān)如圖3所示。

圖3 【遠程－集中－手動】轉(zhuǎn)換開關(guān)

手動即就地控制模式，當設(shè)置的旋鈕打到手動模式時，可實現(xiàn)本煤礦模擬通風系統(tǒng)單臺風機的啟動和停止以及風機對應(yīng)閘門的單獨開閉，在進行上述操作時相應(yīng)的狀態(tài)指示燈也會亮起，以起到提示處在某種狀態(tài)的作用。在手動模式下，可以使用電位計旋鈕模擬的風壓、風量等參數(shù)，每一臺風機都可以通過反饋過來的需求風量，對風機轉(zhuǎn)速進行變頻器調(diào)節(jié)。

當旋鈕處于集中控制模式下，風機和與之對應(yīng)的閘門可實現(xiàn)一鍵啟動、停止或者反風操作，同時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

當開關(guān)檔位調(diào)整到遠程模式時，可以通過觸摸屏界面上【單機】、【聯(lián)動】按鈕，對風機和閘門進行控制；不同的風機既可以單獨啟停，也可以聯(lián)動啟停，不同的閘門之間也可以根據(jù)需求進行單獨開閉或者聯(lián)動，當按下聯(lián)動按鈕后，若一臺風機出現(xiàn)故障會自動報警并自動切換開啟另一臺，與之相對應(yīng)的閘門也在互鎖關(guān)聯(lián)狀態(tài)下自動切換。同時，當處在本模式下風機和閘門也可根據(jù)上一級或當前系統(tǒng)調(diào)節(jié)，自動啟?；蚍达L。如圖5所示。

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

5 結(jié)束語

通過對煤礦通風模擬系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了對真實煤礦通風系統(tǒng)的模擬。本模擬系統(tǒng)能夠用于煤礦企業(yè)對新員工進行相應(yīng)的通風培訓，可以讓研究煤礦通風系統(tǒng)的相關(guān)人員在不進入實際生產(chǎn)煤礦的情況下，初步研究煤礦通風系統(tǒng)的整個工作流程，還可以作為煤礦通風新技術(shù)的初步實驗驗證平臺及相關(guān)院校專業(yè)學生模擬實訓平臺[8-12]。本模擬系統(tǒng)通過PLC和變頻器的應(yīng)用，可以實現(xiàn)風機故障時自動轉(zhuǎn)換、控制面板故障模擬、遠程監(jiān)控等功能，實現(xiàn)了礦井通風自動化控制功能的完全模擬，為后期研究礦井通風系統(tǒng)提供了參考。