某金礦井下通風構筑物控制系統設計

胡巧琴 張君鵬 王 遠 杜翠鳳

（1.北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083；2.招金礦業股份有限公司大尹格莊金礦，山東 招遠 265414）

礦井通風構筑物是用于引導、隔斷和調節風流的裝置，合理安設及維護通風構筑物的運行是礦井通風技術管理的一項重要任務［1-2］。隨著礦井自動化水平日益提高，井下通風構筑物的自動控制顯得更加重要［3-4］，但是國內金屬礦山大部分采用人工或半自動控制，且風門只有全開或全閉的2種方式，未能實現自動化和遠程控制［5］。因此，眾多學者結合了遙控技術和邏輯控制等技術，對通風構筑物的自動控制進行了研究和設計。鄭東東［6］在大柳塔礦活雞兔井原有自動風門上并聯4路無線電子遙控模塊，將風門的手動按鈕控制方式改為遠程遙控控制方式；李建等［7］利用DCS增設自動控制邏輯程序，將信陽公司輔助風門由非智能型的氣動執行機構改為智能型，實現風門自動控制；劉秀峰等［8］通過實驗室建模實現了利用PLC工控機運行遠程操作界面對風門進行控制；蘇霈洋等［9］利用PLC控制箱、傳感器和帶有自鎖功能的防爆電機減速器和限位開關，對唐山礦109帶式輸送機巷道內卷簾風門和風窗控制裝置進行了優化；楊微等［10］使用KJ86N監測監控系統開發了礦用無壓風門遠程控制可視化系統，對礦井風門開閉狀態進行了監控；王敬志等［11］在風門上安裝了攝像頭，并且利用通訊網絡將安全監測設施發出的控制命令傳遞至風門控制裝置實現對風門的遠程控制；XU Minhu等［12］利用協議庫建立智能輔助監測終端，可對控制對象進行信號變頻采樣、報警記錄等；WANG H J等［13］基于ZIGBEE和CAN技術建立了對礦內生產環境參數進行監控的控制系統。

目前，大多數對通風構筑物控制方式的研究未能將所有構筑物的作業狀態集中管理，造成了數據信息的孤立，某金礦的井下通風構筑物控制情況也存在同樣的問題。因此，本項目將針對該金礦存在的問題，以該金礦井下通風構筑物為研究對象，依照“上位機+自動控制技術+通風構筑物動力裝置”的基本模式，對該金礦的井下通風構筑物控制系統進行優化。在工業生產應用中，PLC自動控制技術具有強大的控制功能、較高的抗干擾能力和良好的運行效果，逐漸替代傳統的自動控制技術［14-15］；而NI公司的虛擬儀器LabVIEW作為一種用于虛擬儀器的組態軟件，可以滿足各種協議的通訊功能［16］，能夠靈活地對各種信號數據進行處理［17-18］，可以作為系統的上位機的程序編寫平臺。

1 某金礦井下通風構筑物控制系統設計方案

1.1 某金礦通風構筑物控制系統現狀

某金礦的地表標高為137 m，現階段開采深度已達到-696 m，按照排塵風速計算，南區和北區的近期工作面總需風量分別為74.09 m3/s和137.61 m3/s。該金礦設有11個風門和30個風窗，雖然個別風門采用了電動控制方式，但所能執行的動作也較為單一，大多數通風構筑物仍需要工作人員先根據事情情況或者災害情況判斷所需要調控的通風構筑物的具體位置，再到現場進行人工控制。而近期生產過程中，已經出現了人員工作場所的氣象溫度超過《金屬非金屬礦山安全規程》所規定的濕球溫度27℃，風速小于0.5 m/s的情況。尤其該礦的通風構筑物管理情況較為混亂，未形成集中控制和統一管理，使得整個控制過程更為繁瑣且不及時，急需對通風構筑物的控制系統進行優化。

1.2 某金礦井下通風構筑物控制系統的設計方案

結合某金礦的井下通風構筑物控制現狀，該金礦的井下通風構筑物控制系統應滿足以下需求：①系統操作包括“手動模式”和“自動模式”可供選擇，模式之間可以根據實際需求進行切換；②系統對井下通風構筑物的工作信號進行統一收集、處理、反饋，系統內部可根據反饋信號來控制相應構筑物，以實現遠程自動化控制；③系統實現對各個構筑物的工作狀態進行實時顯示、即時存儲、隨時調用歷史數據的功能；④系統對無法調控的構筑物進行精準報警提示，以提高安全性。

該控制系統的設計主要是利用PLC自動控制技術和相應傳感器，對礦井內通風構筑物的開關狀態以及風門的開啟角度和風窗的開啟面積的實時數據進行采集，采集到的實時數據將通過OPC Server接口與LabVIEW組態軟件進行傳輸，最后在LabVIEW組態軟件所編寫的上位機監控界面上實現監測。在LabVIEW編寫的上位機界面上還需實現提示報警功能和通風構筑物的手動控制功能，前者可通過布爾控件實現，后者可以通過滑動開關控件實現。該金礦井下通風構筑物控制系統的結構見圖1。

2 井下通風構筑物控制系統的硬件設計

為了對通風構筑物的工作狀態進行信號收集和自動或手動控制，每一個通風構筑物都需要2個數據輸入點用于“構筑物工作信號”和“構筑物開關按鈕”的數據輸入，還需要3個數據輸出點用于“運行正常提示燈”、“構筑物故障提示燈”和“構筑物軸動裝置”的數據輸出。除了風門和風窗的數據輸入、輸出點以外，還需設置2個輸入點，分別作為系統總開關、構筑物急停按鈕。該金礦內設置的11個風門和30個風窗，共需要84個數據輸入點和123個數據輸出點。

該金礦井下通風構筑物控制系統所需的數據輸入、輸出點的數量較多，故采用一臺PLC設備作為主站、多臺PLC設備作為從站的分站通訊模式，即主站發出控制信號，從站做出執行或反饋動作。由于一臺PLC從站最多可提供16個數據傳輸點，該控制系統所需的207個數據傳輸點需要13臺PLC設備作為從站與主站、主站和從站之間選擇MODBUS通訊方式進行通訊。該金礦井下通風構筑物控制系統的分站結構見圖2。

考慮到篇幅限制，本文將以控制-131 m水平面內的一個風門和一個風窗的13#從站為例進行展示。

對于13#從站來說，西門子S7-1200PLC控制單元1214 DC/DC/DC型號CPU具有75 kB的工作存儲器和2 MB的裝載存儲器，該CPU上級擴展模塊上的數字量輸入每點所消耗的電流為4 mA；提供時間倒計時、比例積分微分模糊控制等算法功能，滿足該從站的硬件要求，故選擇西門子S7-1200-CPU1214-DC/DC/DC型PLC作為13#從站設備。該從站的輸入、輸出點設置見表1。

如表1所示，13#從站需要2個模擬量輸入點、4個數字量輸入點、2個模擬量輸出點和4個數字量輸出點。西門子S7-1200PLC控制單元1214CDC/DC/DC型號CPU的本地板載僅包含了8個數字量輸入點、6個數字量輸出點和2個模擬量輸入點，故還需增加模擬量擴展模塊，以滿足2個模擬量的輸出，此處選擇為SM-1232-AQ型號的模擬量擴展模塊。13#從站的硬件部分由西門子S7-1200PLC控制單元1214 DC/DC/DC型號CPU、SM-1232-AQ型號模擬量擴展模塊、構筑物的軸動裝置和傳感器等組成，具體硬件接線見圖3。

如圖3所示，對于輸入端，SB1～SB4分別為系統總開關按鈕、全體構筑物急停按鈕、風門開關按鈕和風窗開關按鈕；對于輸出端，L1～L4分別為風門正常工作燈、風窗正常工作燈、風門故障報警燈和風窗故障報警燈，KM1～KM2分別為風門軸動裝置和風窗軸動裝置。

3 某金礦井下通風構筑物控制系統設計

3.1 井下通風構筑物控制系統工作原理

某金礦井下通風構筑物控制系統的PLC程序思路如下：①PLC設備輸入端接收風窗電機正反轉限位信號Si和風門開合角度信號Ai；②將模擬量信號Si和Ai通過CONV指令進行數據類型的轉換操作，得到數值Si'和Ai'；將轉換完的數字信號Si'和Ai'通過NORM_X指令進行數據的標準化操作，得到數值Si"和Ai"；③轉化完的標準化數值Si"和Ai"分別進行傳入上位機進行實時顯示判斷是否符合預期工作狀態和存入數據庫BD的操作，保證數據的充分利用以及歷史數據的完整性；④將標準化數值Si"和Ai"與預期工作狀態進行比對，判斷通風構筑物的工作狀態是否符合預期，再根據實際情況進行下一步控制；⑤當系統自動識別出的通風構筑物調節方案或報警提示時，系統可以按照程序自動調節或報警；或者當操作人員有調節通風構筑物的需求時，可在監控界面進行對通風構筑物的控制操作，具體動作包括風窗電機的正反轉選擇和風門的開合角度調整；⑥當有通風構筑物的工作狀態改變時，PLC會自動將有變化的通風構筑物工作狀態和預期工作狀態進行比對，再進行相應調節動作；⑦最終，該控制系統通過程序自動模式或者人工手動模式完成通風構筑物的調控。

該金礦井下通風構筑物控制系統的程序流程見圖4。

3.2 井下通風構筑物控制系統上位機設計

該金礦井下通風構筑物控制系統的上位機使用LabVIEW組態軟件進行編寫。在LabVIEW的程序框圖中添加While循環框，并在While循環框里添加Visa配置串口和讀取緩存區等組件；在While循環框外與前面板的顯示控件和布爾控件進行連接，控件分別用于系統的數據顯示功能和手動控制功能的實現，顯示控件和布爾控件的數量應與通風構筑物的實際數量相同。由于該控制系統的控制對象類型不唯一，為了方便后期生產中新安設的通風構筑物監控界面的添加，該系統將風門和風窗監控界面利用選項卡控件置于不同的選項頁面獨立顯示。此處，同樣是以控制-131 m水平面內的一個風門和一個風窗的13#從站的前面板進行展示，該分站的前面板即監控界面見圖5。

3.3 井下通風構筑物控制系統的安全性保障

考慮到礦井內環境的復雜多變以及程序的編寫、設備的運行都受到工作環境的各種因素影響，該金礦井下通風構筑物控制系統應該采取措施來保障系統的穩定運行。

（1）軟件的安全性。除了實際生產環境的影響，程序的編寫和運行還應考慮系統的開發周期、軟件的安全性、開發環境的穩定性以及軟件和硬件設備之間的通信與兼容問題等綜合因素［19］。PLC程序設計部分采用西門子公司提供的博圖TIA Portal工程軟件進行編寫，可以使用博圖仿真軟件PLCSIM模擬調試S7-1200程序，博圖TIA Porta和PLCSIM軟件都具有程序錯誤識別功能以及故障安全功能庫所包含的故障安全指令也具有反饋監視功能［20］，會對新鍵入的指令功能塊和新輸入或修改的輸入數據進行判錯。LabVIEW同樣具備錯誤識別功能。當程序出錯時，連線中的單步運行鍵會由直箭頭變成斷箭頭。出現問題，此時LabVIEW中的單步運行鍵由直箭頭變成斷箭頭。程序錯誤的詳細信息可以在錯誤列表里進行查看，作為修改程序的參考。

（2）抗干擾措施。PLC控制系統的運行受到工作環境的溫度、介質、振動等因素的影響［21］，并且礦井通風構筑物控制系統所處的作業環境惡劣且多變，PLC設備或者通訊硬件出現故障時，可能導致整個系統癱瘓［22］。為了提高該金礦井下通風構筑物控制系統的抗干擾能力，應對PLC設備和信號線采取以下措施：① PLC設備的工作環境濕度小于85%，溫度在0～55℃的范圍內；②PLC設備遠離震動源和開采區，可以在PLC和電控柜的接觸面上加設減震帶；③信號線盡量使用帶屏蔽網的材料；④信號線的屏蔽網接地；⑤信號線盡量不共管。

4 結論

本次設計以西門子S7-1200系列PLC設備作為主要控制單元，利用LabVIEW組態軟件編寫監控界面，建立了某金礦井下通風構筑物控制系統；本次設計實現了對某金礦井下通風構筑物的工作信號的采集、處理和實時監控，以及實現了對通風構筑物的自動和手動控制；該系統在該金礦上運行效果良好、狀況穩定，提高了礦井的生產效率，具有一定的應用前景。