胡巧琴 張君鵬 王 遠(yuǎn) 杜翠鳳

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

礦井通風(fēng)構(gòu)筑物是用于引導(dǎo)、隔斷和調(diào)節(jié)風(fēng)流的裝置，合理安設(shè)及維護(hù)通風(fēng)構(gòu)筑物的運(yùn)行是礦井通風(fēng)技術(shù)管理的一項(xiàng)重要任務(wù)［1-2］。隨著礦井自動(dòng)化水平日益提高，井下通風(fēng)構(gòu)筑物的自動(dòng)控制顯得更加重要［3-4］，但是國內(nèi)金屬礦山大部分采用人工或半自動(dòng)控制，且風(fēng)門只有全開或全閉的2種方式，未能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和遠(yuǎn)程控制［5］。因此，眾多學(xué)者結(jié)合了遙控技術(shù)和邏輯控制等技術(shù)，對通風(fēng)構(gòu)筑物的自動(dòng)控制進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。鄭東東［6］在大柳塔礦活雞兔井原有自動(dòng)風(fēng)門上并聯(lián)4路無線電子遙控模塊，將風(fēng)門的手動(dòng)按鈕控制方式改為遠(yuǎn)程遙控控制方式；李建等［7］利用DCS增設(shè)自動(dòng)控制邏輯程序，將信陽公司輔助風(fēng)門由非智能型的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)改為智能型，實(shí)現(xiàn)風(fēng)門自動(dòng)控制；劉秀峰等［8］通過實(shí)驗(yàn)室建模實(shí)現(xiàn)了利用PLC工控機(jī)運(yùn)行遠(yuǎn)程操作界面對風(fēng)門進(jìn)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(jī)減速器和限位開關(guān)，對唐山礦109帶式輸送機(jī)巷道內(nèi)卷簾風(fēng)門和風(fēng)窗控制裝置進(jìn)行了優(yōu)化；楊微等［10］使用KJ86N監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)了礦用無壓風(fēng)門遠(yuǎn)程控制可視化系統(tǒng)，對礦井風(fēng)門開閉狀態(tài)進(jìn)行了監(jiān)控；王敬志等［11］在風(fēng)門上安裝了攝像頭，并且利用通訊網(wǎng)絡(luò)將安全監(jiān)測設(shè)施發(fā)出的控制命令傳遞至風(fēng)門控制裝置實(shí)現(xiàn)對風(fēng)門的遠(yuǎn)程控制；XU Minhu等［12］利用協(xié)議庫建立智能輔助監(jiān)測終端，可對控制對象進(jìn)行信號變頻采樣、報(bào)警記錄等；WANG H J等［13］基于ZIGBEE和CAN技術(shù)建立了對礦內(nèi)生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控的控制系統(tǒng)。

目前，大多數(shù)對通風(fēng)構(gòu)筑物控制方式的研究未能將所有構(gòu)筑物的作業(yè)狀態(tài)集中管理，造成了數(shù)據(jù)信息的孤立，某金礦的井下通風(fēng)構(gòu)筑物控制情況也存在同樣的問題。因此，本項(xiàng)目將針對該金礦存在的問題，以該金礦井下通風(fēng)構(gòu)筑物為研究對象，依照“上位機(jī)+自動(dòng)控制技術(shù)+通風(fēng)構(gòu)筑物動(dòng)力裝置”的基本模式，對該金礦的井下通風(fēng)構(gòu)筑物控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，PLC自動(dòng)控制技術(shù)具有強(qiáng)大的控制功能、較高的抗干擾能力和良好的運(yùn)行效果，逐漸替代傳統(tǒng)的自動(dòng)控制技術(shù)［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(tài)軟件，可以滿足各種協(xié)議的通訊功能［16］，能夠靈活地對各種信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理［17-18］，可以作為系統(tǒng)的上位機(jī)的程序編寫平臺。

1 某金礦井下通風(fēng)構(gòu)筑物控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 某金礦通風(fēng)構(gòu)筑物控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

某金礦的地表標(biāo)高為137 m，現(xiàn)階段開采深度已達(dá)到-696 m，按照排塵風(fēng)速計(jì)算，南區(qū)和北區(qū)的近期工作面總需風(fēng)量分別為74.09 m3/s和137.61 m3/s。該金礦設(shè)有11個(gè)風(fēng)門和30個(gè)風(fēng)窗，雖然個(gè)別風(fēng)門采用了電動(dòng)控制方式，但所能執(zhí)行的動(dòng)作也較為單一，大多數(shù)通風(fēng)構(gòu)筑物仍需要工作人員先根據(jù)事情情況或者災(zāi)害情況判斷所需要調(diào)控的通風(fēng)構(gòu)筑物的具體位置，再到現(xiàn)場進(jìn)行人工控制。而近期生產(chǎn)過程中，已經(jīng)出現(xiàn)了人員工作場所的氣象溫度超過《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》所規(guī)定的濕球溫度27℃，風(fēng)速小于0.5 m/s的情況。尤其該礦的通風(fēng)構(gòu)筑物管理情況較為混亂，未形成集中控制和統(tǒng)一管理，使得整個(gè)控制過程更為繁瑣且不及時(shí)，急需對通風(fēng)構(gòu)筑物的控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

1.2 某金礦井下通風(fēng)構(gòu)筑物控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

結(jié)合某金礦的井下通風(fēng)構(gòu)筑物控制現(xiàn)狀，該金礦的井下通風(fēng)構(gòu)筑物控制系統(tǒng)應(yīng)滿足以下需求：①系統(tǒng)操作包括“手動(dòng)模式”和“自動(dòng)模式”可供選擇，模式之間可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行切換；②系統(tǒng)對井下通風(fēng)構(gòu)筑物的工作信號進(jìn)行統(tǒng)一收集、處理、反饋，系統(tǒng)內(nèi)部可根據(jù)反饋信號來控制相應(yīng)構(gòu)筑物，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制；③系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對各個(gè)構(gòu)筑物的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、即時(shí)存儲(chǔ)、隨時(shí)調(diào)用歷史數(shù)據(jù)的功能；④系統(tǒng)對無法調(diào)控的構(gòu)筑物進(jìn)行精準(zhǔn)報(bào)警提示，以提高安全性。

該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是利用PLC自動(dòng)控制技術(shù)和相應(yīng)傳感器，對礦井內(nèi)通風(fēng)構(gòu)筑物的開關(guān)狀態(tài)以及風(fēng)門的開啟角度和風(fēng)窗的開啟面積的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將通過OPC Server接口與LabVIEW組態(tài)軟件進(jìn)行傳輸，最后在LabVIEW組態(tài)軟件所編寫的上位機(jī)監(jiān)控界面上實(shí)現(xiàn)監(jiān)測。在LabVIEW編寫的上位機(jī)界面上還需實(shí)現(xiàn)提示報(bào)警功能和通風(fēng)構(gòu)筑物的手動(dòng)控制功能，前者可通過布爾控件實(shí)現(xiàn)，后者可以通過滑動(dòng)開關(guān)控件實(shí)現(xiàn)。該金礦井下通風(fēng)構(gòu)筑物控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖1。

2 井下通風(fēng)構(gòu)筑物控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

為了對通風(fēng)構(gòu)筑物的工作狀態(tài)進(jìn)行信號收集和自動(dòng)或手動(dòng)控制，每一個(gè)通風(fēng)構(gòu)筑物都需要2個(gè)數(shù)據(jù)輸入點(diǎn)用于“構(gòu)筑物工作信號”和“構(gòu)筑物開關(guān)按鈕”的數(shù)據(jù)輸入，還需要3個(gè)數(shù)據(jù)輸出點(diǎn)用于“運(yùn)行正常提示燈”、“構(gòu)筑物故障提示燈”和“構(gòu)筑物軸動(dòng)裝置”的數(shù)據(jù)輸出。除了風(fēng)門和風(fēng)窗的數(shù)據(jù)輸入、輸出點(diǎn)以外，還需設(shè)置2個(gè)輸入點(diǎn)，分別作為系統(tǒng)總開關(guān)、構(gòu)筑物急停按鈕。該金礦內(nèi)設(shè)置的11個(gè)風(fēng)門和30個(gè)風(fēng)窗，共需要84個(gè)數(shù)據(jù)輸入點(diǎn)和123個(gè)數(shù)據(jù)輸出點(diǎn)。

該金礦井下通風(fēng)構(gòu)筑物控制系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)輸入、輸出點(diǎn)的數(shù)量較多，故采用一臺PLC設(shè)備作為主站、多臺PLC設(shè)備作為從站的分站通訊模式，即主站發(fā)出控制信號，從站做出執(zhí)行或反饋動(dòng)作。由于一臺PLC從站最多可提供16個(gè)數(shù)據(jù)傳輸點(diǎn)，該控制系統(tǒng)所需的207個(gè)數(shù)據(jù)傳輸點(diǎn)需要13臺PLC設(shè)備作為從站與主站、主站和從站之間選擇MODBUS通訊方式進(jìn)行通訊。該金礦井下通風(fēng)構(gòu)筑物控制系統(tǒng)的分站結(jié)構(gòu)見圖2。

考慮到篇幅限制，本文將以控制-131 m水平面內(nèi)的一個(gè)風(fēng)門和一個(gè)風(fēng)窗的13#從站為例進(jìn)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(chǔ)器和2 MB的裝載存儲(chǔ)器，該CPU上級擴(kuò)展模塊上的數(shù)字量輸入每點(diǎn)所消耗的電流為4 mA；提供時(shí)間倒計(jì)時(shí)、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(shè)備。該從站的輸入、輸出點(diǎn)設(shè)置見表1。

如表1所示，13#從站需要2個(gè)模擬量輸入點(diǎn)、4個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)、2個(gè)模擬量輸出點(diǎn)和4個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)。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(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)、6個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)和2個(gè)模擬量輸入點(diǎn)，故還需增加模擬量擴(kuò)展模塊，以滿足2個(gè)模擬量的輸出，此處選擇為SM-1232-AQ型號的模擬量擴(kuò)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(kuò)展模塊、構(gòu)筑物的軸動(dòng)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(tǒng)總開關(guān)按鈕、全體構(gòu)筑物急停按鈕、風(fēng)門開關(guān)按鈕和風(fēng)窗開關(guān)按鈕；對于輸出端，L1～L4分別為風(fēng)門正常工作燈、風(fēng)窗正常工作燈、風(fēng)門故障報(bào)警燈和風(fēng)窗故障報(bào)警燈，KM1～KM2分別為風(fēng)門軸動(dòng)裝置和風(fēng)窗軸動(dòng)裝置。

3 某金礦井下通風(fēng)構(gòu)筑物控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 井下通風(fēng)構(gòu)筑物控制系統(tǒng)工作原理

某金礦井下通風(fēng)構(gòu)筑物控制系統(tǒng)的PLC程序思路如下：①PLC設(shè)備輸入端接收風(fēng)窗電機(jī)正反轉(zhuǎn)限位信號Si和風(fēng)門開合角度信號Ai；②將模擬量信號Si和Ai通過CONV指令進(jìn)行數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換操作，得到數(shù)值Si'和Ai'；將轉(zhuǎn)換完的數(shù)字信號Si'和Ai'通過NORM_X指令進(jìn)行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化操作，得到數(shù)值Si"和Ai"；③轉(zhuǎn)化完的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值Si"和Ai"分別進(jìn)行傳入上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示判斷是否符合預(yù)期工作狀態(tài)和存入數(shù)據(jù)庫BD的操作，保證數(shù)據(jù)的充分利用以及歷史數(shù)據(jù)的完整性；④將標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值Si"和Ai"與預(yù)期工作狀態(tài)進(jìn)行比對，判斷通風(fēng)構(gòu)筑物的工作狀態(tài)是否符合預(yù)期，再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行下一步控制；⑤當(dāng)系統(tǒng)自動(dòng)識別出的通風(fēng)構(gòu)筑物調(diào)節(jié)方案或報(bào)警提示時(shí)，系統(tǒng)可以按照程序自動(dòng)調(diào)節(jié)或報(bào)警；或者當(dāng)操作人員有調(diào)節(jié)通風(fēng)構(gòu)筑物的需求時(shí)，可在監(jiān)控界面進(jìn)行對通風(fēng)構(gòu)筑物的控制操作，具體動(dòng)作包括風(fēng)窗電機(jī)的正反轉(zhuǎn)選擇和風(fēng)門的開合角度調(diào)整；⑥當(dāng)有通風(fēng)構(gòu)筑物的工作狀態(tài)改變時(shí)，PLC會(huì)自動(dòng)將有變化的通風(fēng)構(gòu)筑物工作狀態(tài)和預(yù)期工作狀態(tài)進(jìn)行比對，再進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)動(dòng)作；⑦最終，該控制系統(tǒng)通過程序自動(dòng)模式或者人工手動(dòng)模式完成通風(fēng)構(gòu)筑物的調(diào)控。

該金礦井下通風(fēng)構(gòu)筑物控制系統(tǒng)的程序流程見圖4。

3.2 井下通風(fēng)構(gòu)筑物控制系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

該金礦井下通風(fēng)構(gòu)筑物控制系統(tǒng)的上位機(jī)使用LabVIEW組態(tài)軟件進(jìn)行編寫。在LabVIEW的程序框圖中添加While循環(huán)框，并在While循環(huán)框里添加Visa配置串口和讀取緩存區(qū)等組件；在While循環(huán)框外與前面板的顯示控件和布爾控件進(jìn)行連接，控件分別用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示功能和手動(dòng)控制功能的實(shí)現(xiàn)，顯示控件和布爾控件的數(shù)量應(yīng)與通風(fēng)構(gòu)筑物的實(shí)際數(shù)量相同。由于該控制系統(tǒng)的控制對象類型不唯一，為了方便后期生產(chǎn)中新安設(shè)的通風(fēng)構(gòu)筑物監(jiān)控界面的添加，該系統(tǒng)將風(fēng)門和風(fēng)窗監(jiān)控界面利用選項(xiàng)卡控件置于不同的選項(xiàng)頁面獨(dú)立顯示。此處，同樣是以控制-131 m水平面內(nèi)的一個(gè)風(fēng)門和一個(gè)風(fēng)窗的13#從站的前面板進(jìn)行展示，該分站的前面板即監(jiān)控界面見圖5。

3.3 井下通風(fēng)構(gòu)筑物控制系統(tǒng)的安全性保障

考慮到礦井內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜多變以及程序的編寫、設(shè)備的運(yùn)行都受到工作環(huán)境的各種因素影響，該金礦井下通風(fēng)構(gòu)筑物控制系統(tǒng)應(yīng)該采取措施來保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（1）軟件的安全性。除了實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境的影響，程序的編寫和運(yùn)行還應(yīng)考慮系統(tǒng)的開發(fā)周期、軟件的安全性、開發(fā)環(huán)境的穩(wěn)定性以及軟件和硬件設(shè)備之間的通信與兼容問題等綜合因素［19］。PLC程序設(shè)計(jì)部分采用西門子公司提供的博圖TIA Portal工程軟件進(jìn)行編寫，可以使用博圖仿真軟件PLCSIM模擬調(diào)試S7-1200程序，博圖TIA Porta和PLCSIM軟件都具有程序錯(cuò)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(jiān)視功能［20］，會(huì)對新鍵入的指令功能塊和新輸入或修改的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行判錯(cuò)。LabVIEW同樣具備錯(cuò)誤識別功能。當(dāng)程序出錯(cuò)時(shí)，連線中的單步運(yùn)行鍵會(huì)由直箭頭變成斷箭頭。出現(xiàn)問題，此時(shí)LabVIEW中的單步運(yùn)行鍵由直箭頭變成斷箭頭。程序錯(cuò)誤的詳細(xì)信息可以在錯(cuò)誤列表里進(jìn)行查看，作為修改程序的參考。

（2）抗干擾措施。PLC控制系統(tǒng)的運(yùn)行受到工作環(huán)境的溫度、介質(zhì)、振動(dòng)等因素的影響［21］，并且礦井通風(fēng)構(gòu)筑物控制系統(tǒng)所處的作業(yè)環(huán)境惡劣且多變，PLC設(shè)備或者通訊硬件出現(xiàn)故障時(shí)，可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓［22］。為了提高該金礦井下通風(fēng)構(gòu)筑物控制系統(tǒng)的抗干擾能力，應(yīng)對PLC設(shè)備和信號線采取以下措施：① PLC設(shè)備的工作環(huán)境濕度小于85%，溫度在0～55℃的范圍內(nèi)；②PLC設(shè)備遠(yuǎn)離震動(dòng)源和開采區(qū)，可以在PLC和電控柜的接觸面上加設(shè)減震帶；③信號線盡量使用帶屏蔽網(wǎng)的材料；④信號線的屏蔽網(wǎng)接地；⑤信號線盡量不共管。

4 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)以西門子S7-1200系列PLC設(shè)備作為主要控制單元，利用LabVIEW組態(tài)軟件編寫監(jiān)控界面，建立了某金礦井下通風(fēng)構(gòu)筑物控制系統(tǒng)；本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對某金礦井下通風(fēng)構(gòu)筑物的工作信號的采集、處理和實(shí)時(shí)監(jiān)控，以及實(shí)現(xiàn)了對通風(fēng)構(gòu)筑物的自動(dòng)和手動(dòng)控制；該系統(tǒng)在該金礦上運(yùn)行效果良好、狀況穩(wěn)定，提高了礦井的生產(chǎn)效率，具有一定的應(yīng)用前景。