基于PLC控制的煤礦通風系統模擬設計

譚桂玲 ， 井平安 ， 李 睿

（1.天津現代職業技術學院，天津 300350；2.清華大學基礎工業訓練中心，北京 100084）

煤礦通風系統在整個礦井的安全生產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。煤礦通風系統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，同時開采設備也會產生有害廢氣、殘熱、水蒸氣等等不利于工人勞動的氣體，通風系統能夠向礦井內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，從而使礦井內部空氣條件符合工人作業標準，達到改善工人作業環境的目的。近年來，我國對安全生產的重視監管力度不斷加強，為了保障電煤供應，煤礦企業在加緊生產的前提下要注重生產安全。因此，對煤礦通風系統的研究和學習在不斷加強，然而對實際煤礦通風系統直接進行研究或學習，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，能夠模擬煤礦通風系統的運行過程，并可以對相關煤礦通風從業人員進行相應的培訓。由此可見，煤礦通風系統模擬系統的研制有著非常重要的意義[1-3]。

1 設計要求

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

1）設備要具有手動／自動兩種及以上工作模式，能夠實時顯示設備狀態，出現故障能夠實時報警等功能。

2）設備要具備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，并能夠同時發出相關報警。

4）能夠模擬瓦斯當量輸入，當礦井瓦斯濃度超過程序設定上限值時，設備能夠發出指示和報警。

5）要求設備裝備溫度傳感器，能夠對風機組關鍵部位進行測溫，例如風機組定子和軸承的位置，當該部位溫度超過設定值時，能夠自動發出報警和提示。

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

7）當設備處于手動模式時，要求具有防止風機組頻繁啟動的功能。

8）設備要具有風機組機械卡死指示報警功能。

2 方案設計

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

通過分析設計要求可得，常用的通風系統目前分為兩大類，抽風式通風和軸流式通風；軸流式通風又可以細分為兩類。通過分析對比優缺點，本次設計確定采用軸流式通風系統，該模擬系統能夠完全模擬礦井軸流式風機運行的全過程，設備整體設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]。軸流式通風系統三維模型如圖1所示。

圖1 軸流式通風系統三維模型

3 程序流程設計

根據所選擇的軸流式排風系統，所設計的煤礦通風模擬系統程序流程圖如圖2所示。

圖2 系統流程示意圖

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，同時設計一個手動旋轉開關，在旋轉開關上設置三個不同的檔位，分別對應手動、集中、遠程三種控制方式，當手動旋轉開關轉到某一檔位時，在觸摸屏面板上選擇對應的模式進行相關風機和閘門的控制。旋轉開關如圖3所示。

圖3 【遠程－集中－手動】轉換開關

手動即就地控制模式，當設置的旋鈕打到手動模式時，可實現本煤礦模擬通風系統單臺風機的啟動和停止以及風機對應閘門的單獨開閉，在進行上述操作時相應的狀態指示燈也會亮起，以起到提示處在某種狀態的作用。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，每一臺風機都可以通過反饋過來的需求風量，對風機轉速進行變頻器調節。

當旋鈕處于集中控制模式下，風機和與之對應的閘門可實現一鍵啟動、停止或者反風操作，同時可以通過觸摸屏界面顯示各設備的狀態。集中模式狀態界面如圖4所示。

圖4 集中模式狀態界面示意圖

當開關檔位調整到遠程模式時，可以通過觸摸屏界面上【單機】、【聯動】按鈕，對風機和閘門進行控制；不同的風機既可以單獨啟停，也可以聯動啟停，不同的閘門之間也可以根據需求進行單獨開閉或者聯動，當按下聯動按鈕后，若一臺風機出現故障會自動報警并自動切換開啟另一臺，與之相對應的閘門也在互鎖關聯狀態下自動切換。同時，當處在本模式下風機和閘門也可根據上一級或當前系統調節，自動啟停或反風。如圖5所示。

圖5 遠程監控設備狀態組態界面示意圖

5 結束語

通過對煤礦通風模擬系統的設計，實現了對真實煤礦通風系統的模擬。本模擬系統能夠用于煤礦企業對新員工進行相應的通風培訓，可以讓研究煤礦通風系統的相關人員在不進入實際生產煤礦的情況下，初步研究煤礦通風系統的整個工作流程，還可以作為煤礦通風新技術的初步實驗驗證平臺及相關院校專業學生模擬實訓平臺[8-12]。本模擬系統通過PLC和變頻器的應用，可以實現風機故障時自動轉換、控制面板故障模擬、遠程監控等功能，實現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提供了參考。