控風決策支持系統中控風設施設計研究

張俊輝，孫勤盛，王 凱，郝晉偉，畢俊剛

(1.西山煤電集團 西銘礦，山西 太原 030053； 2.中國礦業大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221116；3.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013)

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控風決策支持系統中控風設施設計研究

張俊輝1，孫勤盛1，王 凱2，郝晉偉3，畢俊剛1

(1.西山煤電集團 西銘礦，山西 太原 030053； 2.中國礦業大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221116；3.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013)

為了有效控制井下災變時期事故范圍擴大化，設計了一種既能作為普通礦用風門滿足日常行人過車需求又能以執行機構用于控風決策支持系統的控風設施，分別對控風設施進行了機械設計和監控分站軟硬件設計。此種救災風門在正常生產時期作為壓力平衡風門較普通平衡風門有易于實現自動控制以及開啟關閉平穩等優點，并且實現機械閉鎖功能，而在災變時期又能實現遠程控制實現應急救援，有極強的現場應用價值。

風流控制；決策支持系統；控風設施；風壓平衡風門

一通三防是礦井事故發生的主導因素，而礦井通風系統是礦井生產系統的重要組成部分之一，更是保證整個礦井實現安全生產的基礎[1]. 瓦斯爆炸、煤塵爆炸以及電纜火災、皮帶火災等事故的發生都會產生大量有毒有害氣體。電纜火災、皮帶火災事故往往在初期沒有得到及時控制造成火勢逐漸變大，火災產生火風壓的作用造成整個礦井通風系統癱瘓，表現為風流紊亂，使事故蔓延擴大造成大量人員傷亡。災變時期通風調度就要進行科學的決策[2].科學決策的關鍵在于合理地運用通風手段，防止事故產生的有毒有害氣體蔓延及火風壓對通風系統造成危害[3].1 控風決策支持系統風流控制方法

重大火災事故易導致的通風系統癱瘓的基本形式有煙流逆退和風流逆轉兩種類型。災變時期控制風流的基本措施有風量控制、風壓調節控制、風流流動方向控制。風流流動方向控制包括全礦反風法、局部區域反風法以及風流短路法。

控制風流基本措施中的風流短路法和局部區域反風法，都需要預先在巷道布置常閉風門組和常開風門組來達到控風的目的。由于常閉風門組在此特定情況下需要解除閉鎖將兩道風門同時打開，因此對常閉風門組控風設施進行了機械結構設計。

2 控風設施機械結構設計

現有壓力平衡風門實現異向同步開閉的裝置穩定性差、風門關閉過快、易傷過往行人和損壞風門，且在控風決策支持系統中需要兩道風門同時開啟時不能解除機械閉鎖而開啟。鑒于以上普通風門的不足及不能滿足在特定情況控制風流的要求，設計研究了一種既能作為普通通風設施自動開啟又能應用于控風決策支持系統中遠程控制兩道門同時開啟的救災壓力平衡風門。

2.1 救災壓力平衡風門主體設計

救災壓力平衡風門主要由傳動機構、門框、閉鎖箱、閉鎖三角塊、恢復閉鎖限位彈簧、重錘組成。救災壓力平衡風門主視圖見圖1.

1—傳動機構 2—門框 3—閉鎖箱 4—閉鎖三角塊 5—恢復閉鎖限位彈簧 6—重錘圖1 救災壓力平衡風門主視圖

救災壓力平衡風門實現兩個門扇異向同步開啟的核心機構是風門聯動裝置，聯動裝置中的傳動輪與門扇上部的門軸相嵌入，從而將作用在風門上的風壓通過傳動機構轉化為一種內力并得到平衡，保證了風門打開時省力、方便靈活[4]. 在礦井正常生產時期，遠程控風設施的常閉風門組作為保證礦井通風系統安全的通風設施，處于自動風門工作模式時，其可以滿足礦井正常時期行人過車的需要。機械閉鎖裝置能夠在特定救援模式下將閉鎖三角塊推出，實現解除閉鎖達到風流控制功能。

2.2 聯動裝置設計

普通壓力平衡風門實現異向同步開啟的機構主要由傳動桿CD實現，而此種風門在災變時期不易于實現遠程自動控制，并且在重錘牽引下關門瞬間無緩沖作用會產生較大的關門速度，容易損壞風門以及傷到過往行人及車輛，見圖2.

圖2 普通風壓平衡風門傳動桿示意圖

設計的新型救災壓力平衡風門的聯動裝置固定于門框位于門體上方，包括傳動輪、鏈條、傳動桿、門軸、動力氣缸、動力氣缸缸桿連接件、門開到位擋板、緩沖氣缸、緩沖氣缸缸桿連接件。平衡風門傳動機構設計見圖3.

8—傳動輪 9—鏈條 10—傳動桿 11—門軸 12—動力氣缸 13—缸桿連接件 14—門開到位擋板 15—緩沖氣缸 16—缸桿連接件圖3 新型風壓平衡風門傳動機構設計圖

2.3 閉鎖裝置設計

設計了無壓平衡風門的機械閉鎖裝置，機械閉鎖裝置包括：閉鎖塊、恢復閉鎖限位彈簧、重錘和閉鎖失效動作氣缸等。閉鎖裝置主視圖和俯視圖見圖4.

3—閉鎖箱 4—閉鎖三角塊 5—恢復閉鎖限位彈簧 6—重錘 7—閉鎖失效動作氣缸圖4 閉鎖裝置主視圖和俯視圖

3 控風設施監控分站硬件軟件設計

監控分站的硬件軟件設計實現了作為普通風壓平衡風門在正常時期保證通風系統穩定的自動風門功能，且其在決策支持系統中作為控風設施的控制功能。遠程控風設施結合礦井通風系統的實際情況，通常以常開風門或常閉風門組的形式預先設置在某些特定巷道中，在特定情況實現了風流短路、區域反風等控制風流的措施，從而防止火風壓造成的風流紊亂和火災產生的有毒有害氣體蔓延導致事故擴大化。作為系統的執行機構在啟動救援系統后常開風門根據系統命令執行關閉動作，切斷巷道風流；常閉風門組需要兩道風門全部打開時，控制系統下達命令將遠程控風設施的機械閉鎖解除，隨后同時開啟兩道風門，使巷道風流導通。

3.1 監控分站硬件設計

監控分站是控風決策支持系統的核心組成部分，根據救災風門監控分站的性能要求和S7-200-CPU224的性能特點，設計了監控分站主機。主要有隔爆箱體、可編程控制器、模擬量輸入模塊EM231、數字光端機、隔離安全柵、開關電源、充電器、鉛酸蓄電池、變壓器、固態繼電器、電源切換電路、蓄電池過放保護電路、開蓋斷電裝置等主要零部件組成[5].監控分站內部結構電氣原理圖見圖5. 監測行人和車輛信號選用常州宇達安防科技有限公司生產的FHF5礦用本質安全對射型紅外傳感器，包括一個紅外發送器和一個紅外接收器。

圖5 監控分站內部結構的電氣原理圖

3.2 監控分站軟件設計

監控分站PLC程序設計采用模塊化和線性化結構相結合，用順序控制法實現遠程控風設施分站軟件編程。在編程過程中應用程序組織單元有效的配置了系統資源，優化了編程思路。主程序流程圖見圖6.

順序控制設計法是組織線性化程序結構的一種有力工具，采用順序控制設計法編寫監控分站的主程序，主程序順序功能圖見圖7.

圖6 監控分站主程序流程圖

圖7 主程序順序功能圖

M0.0位寄存器記錄狀態初始化子程序工作狀態。自動風門工作模式M1.0、M1.1、M1.2、M1.3寄存兩道風門向里向外走4個工作狀態，主程序對4道紅外傳感器輸入信號進行檢測判斷進入自動風門工作模式相應的4個子程序，相應子程序執行完成整個開關門動作。

4 結 論

1) 本文分析了普通平衡風門設計不足且不能滿足決策支持系統控制要求，提出了設計新型風壓平衡風門。

2) 確定了新型控風設施的設計方案，設計了一種具有較高可靠性的救災門，并逐步對救災門的聯動裝置、機械閉鎖裝置進行了設計生產。

3) 控風設施在控風決策支持系統中是控制風流的執行機構，設計了可靠的監控分站并對其實現自動控制，使能夠在正常時期處于自動風門工作模式滿足行人車輛的通過要求，災變時期解除機械閉鎖達到風流控制功能。

[1]張國樞，譚允禎. 通風安全學[M]. 徐州：中國礦業大學出版社，2007：23.

[2]金 晶. 基于SVM的煤礦瓦斯抽采系統火災隱患判識研究[D]. 安徽理工大學，2014.

[3]常大怒. 試論礦井安全救援與通風[J]. 科學之友，2011(3)：4-6.

[4]吳景民，劉紅星，夏 彬. 新型手動無壓風門在新集二礦的應用[J]. 礦業安全與環保，2002(3)：54-56.

[5]王 凱. 煤礦熱動力災害控制機理及遠程應急救援系統研究[D]. 中國礦業大學，2012.

Research on Design of Air Control Facilities in Airflow Control Decision Support System

ZHANG Junhui, SUN Qinsheng, WANG Kai, HAO Jinwei, BI Jungang

To effectively control the expansion of the accident in underground, a control system is designed, which can meet the requirements of worker’s daily going through, of tramcar’s passing through, also can be used for the air control facilities. It consists of mechanical system design and monitoring system design in sub-station involving hardware and software. The air door dedicated in urgent relief, it acts the function of air balance in normal time with the advantages of easy to be automatically open and closed in a stable way, meanwhile achieve the mechanical locking function. And in emergency it plays the role of remote control for quick rescue, has strong field application value.

Air current control; Decision support system; Air control facilities; Air door for pressure balance

2017-01-15

張俊輝(1984—)，男，山西太原人，2015年畢業于太原理工大學，助理工程師，主要從事煤礦管理工作

(E-mail)anchorsqs@qq.com

TD724

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1672-0652(2017)03-0038-03