【正文】 系統(tǒng)抗災(zāi)能力不足致使正常生產(chǎn)時(shí)的分區(qū)通風(fēng)在瓦斯爆炸條件下受到破壞爆炸氣體進(jìn)入了爆源以外的廣泛區(qū)域使其他通風(fēng)分區(qū)乃至全礦井下的人員中毒死亡。 煤礦安全規(guī)程對(duì)煤礦通風(fēng)有嚴(yán)格的要求和限制特別在高突礦井明確禁止使用串聯(lián)通風(fēng)。在礦井災(zāi)變條件下維持正常分區(qū)通風(fēng)的能力是評(píng)價(jià)礦井通風(fēng)系統(tǒng)抗災(zāi)能力的基本考慮因素。礦井通風(fēng)是一個(gè)古老的技術(shù)領(lǐng)域但對(duì)災(zāi)變條件下維持分區(qū)通風(fēng)的相關(guān)技術(shù)、特別對(duì)于瓦斯爆炸與通風(fēng)系統(tǒng)的相互作用缺乏必要的理論與實(shí)驗(yàn)研究。深入系統(tǒng)地研究煤礦井下瓦斯燃爆的物理機(jī)制及其災(zāi)害效應(yīng)對(duì)于正確評(píng)價(jià)分析煤礦預(yù)防瓦斯爆炸安全等級(jí)、科學(xué)地改進(jìn)井下通風(fēng)設(shè)施和巷道布置具有極其重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)際意義。同時(shí)也研究了瓦斯爆炸過程中壓力波、火焰與障礙物的相互作用。通過理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究煤礦井下巷道條件對(duì)瓦斯爆炸及其沖擊波衰減的影響規(guī)律研究各種通風(fēng)設(shè)施結(jié)構(gòu)與爆轟波、沖擊波的相互作用研究各種通風(fēng)設(shè)施結(jié)構(gòu)在沖擊波載荷下的破壞過程和極限強(qiáng)度將能夠?qū)ΦV井分區(qū)通風(fēng)的抗災(zāi)能力對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的合理性、可靠性及抗災(zāi)能力予以定量的評(píng)價(jià)和分級(jí)這些都是當(dāng)前該研究領(lǐng)域的前沿課題。隨著我國政府對(duì)各行各業(yè)安全生產(chǎn)監(jiān)管力度的不斷加強(qiáng)，尤其對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的要求越來越高，對(duì)煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，提高其運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性、節(jié)能降耗等勢(shì)在必行。那么主通風(fēng)機(jī)就會(huì)一直高速運(yùn)行，備用通風(fēng)機(jī)停止，不能輪休工作，易使工作通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生故障，降低使用壽命，也會(huì)造成很大的能源浪費(fèi)。本系統(tǒng)將 PLC與變頻器有機(jī)地結(jié)合起來，采用以礦井氣壓壓力為主控參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)工作過程和運(yùn)轉(zhuǎn)速度的有效控制，使礦井中用的離心通風(fēng)機(jī)通風(fēng)高效、安全，達(dá)到了明顯的節(jié)能效果。PLC 控制系統(tǒng)還具有對(duì)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的電機(jī)過熱保護(hù)、故障報(bào)警、機(jī)械故障報(bào)警和瓦斯?jié)舛葦嚯姷裙δ芴攸c(diǎn)，為煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)改造提供一條新途徑。同時(shí)，利用 PLC 和上位機(jī)之間的通信實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的在線監(jiān)控。具體地說，本論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：1 實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，包括風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)、負(fù)壓、流量、軸承振動(dòng)、軸承溫度、定子溫度、電壓、電流、功率、效率等。在變頻運(yùn)行時(shí)，該系統(tǒng)能根據(jù)壓力傳感器的模擬量輸入，經(jīng) PLC 內(nèi)部運(yùn)算，計(jì)算出系統(tǒng)滿足安全生產(chǎn)所需的風(fēng)量大小對(duì)應(yīng)的變頻器輸入電壓值，經(jīng)擴(kuò)展模塊模擬量輸出控制變頻器自動(dòng)調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。4 用工程制圖軟件繪制系統(tǒng)主電路圖和 PLC 及擴(kuò)展模塊接線圖。6 用 PROFIBUSDP 現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)完成對(duì) PLC 通信網(wǎng)絡(luò)的組建。并生成性能參數(shù)實(shí)時(shí)曲線和歷史趨勢(shì)曲線，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)歸檔、數(shù)據(jù)報(bào)表查詢及打印，以及瓦斯?jié)舛?、風(fēng)量、風(fēng)壓等監(jiān)控量的趨勢(shì)曲線、超限報(bào)警和數(shù)據(jù)報(bào)表功能。風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié)中引入變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)速的調(diào)節(jié)，據(jù)所需風(fēng)量和風(fēng)壓大小通過變頻器來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在節(jié)能和提高風(fēng)機(jī)效率方面具有無與倫比的優(yōu)點(diǎn)。與常規(guī)繼電器實(shí)施的通風(fēng)系統(tǒng)相比，PLC 系統(tǒng)具有故障率低、可靠性高、接線簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，PLC 的控制功能使通風(fēng)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度大大提高，減輕了崗位人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。為滿足礦井通風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)控制的要求，系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)要求如下：（1）本系統(tǒng)提供手動(dòng)／自動(dòng)兩種工作模式，具有狀態(tài)顯示以及故障報(bào)警等功能。（3）在自動(dòng)方式下，當(dāng)井下壓力低于設(shè)定壓力下限時(shí)，兩組風(fēng)機(jī)將同時(shí)投入工作運(yùn)行，同時(shí)并發(fā)出指示和報(bào)警信號(hào)。當(dāng)瓦斯?jié)舛却笥谠O(shè)定斷電上限時(shí)，PLC 將切斷工作面和風(fēng)機(jī)組電源，防止瓦斯爆炸。當(dāng)定子溫度或軸承溫度超過設(shè)定風(fēng)機(jī)組轉(zhuǎn)換溫度界線時(shí)，PLC 將切斷指示和報(bào)警信號(hào)并自動(dòng)切斷當(dāng)前運(yùn)行風(fēng)機(jī)組，在自動(dòng)方式下并能自動(dòng)接入另一臺(tái)風(fēng)機(jī)組運(yùn)行，若在手動(dòng)方式下，工作人員手動(dòng)切換。下圖是通風(fēng)系統(tǒng)原理框圖。根據(jù)井下用風(fēng)量的不同，采用不同型號(hào)的風(fēng)機(jī)。其中還包括接觸器、中間繼電器、熱繼電器、礦用防爆型磁力啟動(dòng)器、斷路器等系統(tǒng)保護(hù)電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)和 PLC的有效保護(hù)，以及對(duì)電機(jī)的切換控制。圖 通風(fēng)控制系統(tǒng)方案圖本 PLC控制系統(tǒng)具有對(duì)通風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)與運(yùn)行，進(jìn)行監(jiān)控、聯(lián)鎖和過熱保護(hù)等功能。為滿足煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)控制的要求，設(shè)計(jì)如下的控制方案：本系統(tǒng)提供手動(dòng) /自動(dòng)兩種工作模式，具有現(xiàn)場(chǎng)控制方式、狀態(tài)顯示以及故障報(bào)警等功能。為防止通風(fēng)機(jī)疲勞運(yùn)行，在任何狀態(tài)下風(fēng)機(jī)在累計(jì)運(yùn)行設(shè)定時(shí)間后要切換至另一臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行。循環(huán)次數(shù)及定時(shí)時(shí)間可根據(jù)需要隨機(jī)設(shè)定。在自動(dòng)方式下，利用遠(yuǎn)傳空氣壓力傳感器檢測(cè)礦井內(nèi)的氣壓信號(hào)，用變送器將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)變換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) (如 4～20 mA 直流電流信號(hào)、0 ～5 V 直流電壓信號(hào)等 )，送入 A /D 轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后送入 PLC，PLC 將檢測(cè)到的氣壓值與設(shè)定的氣壓值進(jìn)行比較和處理，輸出信號(hào)控制通風(fēng)機(jī)工作。在有瓦斯的礦井供風(fēng)系統(tǒng)中，礦井內(nèi)的瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳈z測(cè)瓦斯?jié)舛?，用變送器將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)變換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，送入 A /D 轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后送入 PLC，同樣 PLC將檢測(cè)到的數(shù)值與設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行比較，當(dāng)瓦斯?jié)舛却笥谠O(shè)定數(shù)值后，PLC輸出信號(hào)控制通風(fēng)機(jī)停止工作，并輸出信號(hào)自動(dòng)切斷井下的電源，滿足風(fēng)電聯(lián)鎖要求，以免電子火花點(diǎn)著瓦斯，防止瓦斯爆炸事故發(fā)生。風(fēng)機(jī)的主要特點(diǎn)是：本設(shè)計(jì)采用電機(jī)與葉輪直聯(lián)的方法，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，改變了當(dāng)前煤礦抽出式軸流風(fēng)機(jī)全部采用皮帶輪傳動(dòng)或長(zhǎng)軸傳動(dòng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，使維修和操作方便。電機(jī)置于全封閉型，并具有一定耐壓強(qiáng)度的密閉散熱罩中并于外界非瓦斯氣相通。風(fēng)機(jī)與擴(kuò)散器之間設(shè)置后導(dǎo)葉，以提高靜壓效率，使得節(jié)能效果顯著。 該機(jī)可以反轉(zhuǎn)反風(fēng)，不必另設(shè)反風(fēng)道，具有節(jié)約基建投資和反風(fēng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。在使用同一規(guī)格風(fēng)機(jī)中，可根據(jù)生產(chǎn)擴(kuò)大的要求來調(diào)整葉片安裝角度。 該機(jī)采用特殊設(shè)計(jì)，性能曲線無駝峰，在任何網(wǎng)絡(luò)阻力情況下，均能穩(wěn)定運(yùn)行。按功能劃分為高壓配電室，低壓配電室，變壓器室。電機(jī)安裝了三相定子和前后軸承溫度傳感器。變壓器安裝了溫度監(jiān)控器，監(jiān)控 3相溫度，當(dāng)溫度超限能自動(dòng)啟停風(fēng)機(jī)降溫。（4）聯(lián)絡(luò)柜：實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)的母線聯(lián)絡(luò)。主要實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。3 系統(tǒng)硬件構(gòu)成及各部分功能 PLC 可編程控制器部分 PLC 概述PLC即可編程控制器（Programmable logic Controller，是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程，PLC 是可編程邏輯電路，也是一種和硬件結(jié)合很緊密的語言，在半導(dǎo)體方面有很重要的應(yīng)用，可以說有半導(dǎo)體的地方就有 PLC。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。（1）CPU 的構(gòu)成CPU是 PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套 PLC至少有一個(gè) CPU，它按 PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和 PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程。內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是 PLC不可缺少的組成單元。（2）I/O 模塊PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。輸入模塊將電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入 PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。常用的 I/O分類如下：開關(guān)量：按電壓水平分，有 220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。除了上述通用 I/O外，還有特殊 I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。但其最大數(shù)受 CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。同時(shí)，有的還為輸入電路提供 24V的工作電源。 PLC 的應(yīng)用（1）在制造工業(yè)（以改變幾何形狀和機(jī)械性能為特征）和過程工業(yè)（以物理變化和化學(xué)變化將原料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品為特征）中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動(dòng)作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動(dòng)作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。1968 年美國 GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，使得電氣控制功能實(shí)現(xiàn)的程序化，這就是第一代可編程序控制器，英文名字叫 Programmable Controller（PC） ?！　。?）上世紀(jì) 80年代，個(gè)人計(jì)算機(jī)發(fā)展起來，也簡(jiǎn)稱為 PC，為了方便，也為了反映或可編程控制器的功能特點(diǎn)，美國 AB公司將可編程序控制器定名為可編程序邏輯控制器 Programmable Logic Controller（PLC） ，并將“PLC”作為其產(chǎn)品的注冊(cè)商標(biāo)?！　。?）上世紀(jì) 80年代至 90年代中期，是 PLC發(fā)展最快的時(shí)期，年增長(zhǎng)率一直保持為 30～40%?！　。?）近年，工業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)（IPC）和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)（FCS）發(fā)展迅速，擠占了一部分 PLC市場(chǎng)，PLC 增長(zhǎng)速度出現(xiàn)漸緩的趨勢(shì)，但其在工業(yè)自動(dòng)化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來，是無法取代的。 典型的 PLC 產(chǎn)品（1）國外施耐德公司， Quantum、Premium、Momentum 等；羅克韋爾（AB 公司） ，SLC、MicroLogix、Control Logix 等；西門子公司， SIMATIC S7400/300/200 系列；GE公司日本歐姆龍、三菱、富士、松下等?？紤]到性能和穩(wěn)定性，硬件采用西門子公司的 S7300系列 PLC，同時(shí)采用光電隔離、接地、變壓器隔離等硬件抗干擾措施和數(shù)字濾波等軟件抗干擾措施，系統(tǒng)可靠性高，穩(wěn)定性好。擴(kuò)展了 1個(gè) EM 231模擬量輸入模塊，它是 A /D轉(zhuǎn)換模塊，具有 4個(gè)模擬量輸入，12 位 A /D，其采樣速度 25μs，空氣壓力傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞑杉男盘?hào)經(jīng)過變送器調(diào)理和放大處理后，成為 0 ～5 V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，再經(jīng)過 EM231模塊自動(dòng)完成 A /D轉(zhuǎn)換；同時(shí)擴(kuò)展了 1個(gè) EM222數(shù)字量輸出模塊，它有 8個(gè)數(shù)字量的輸出點(diǎn)，作用是提供附加的輸出點(diǎn)，這樣完全可以滿足系統(tǒng)的要求。設(shè)置 6個(gè)操作鍵、4 個(gè)開關(guān)量傳感器和 2個(gè)模擬量。這 6個(gè)操作鍵分別是自動(dòng)方式開關(guān)、手動(dòng)方式開關(guān)、停機(jī)按鈕、消音按鈕及 2個(gè)在手動(dòng)控制下控制通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的按鈕開關(guān)，4 個(gè)開關(guān)量傳感器為拖動(dòng)通風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)電機(jī)和增風(fēng)速電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障時(shí)熱繼電器的控制開關(guān)，其中擴(kuò)充了 1個(gè) EM231的模擬量輸入模塊，主要是用于轉(zhuǎn)換氣壓信號(hào)和瓦斯?jié)舛刃盘?hào)的。作為高能耗設(shè)備，其輸出功率不能隨負(fù)荷按比例變化，大部分只能通過擋板或閥門的開度來調(diào)節(jié)，而電動(dòng)機(jī)消耗的能量變化不大，從而造成很大的能量損耗。n＝60 f(1－s)/p (1)式中 n———異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；f———異步電動(dòng)機(jī)的頻率；s———電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；p———電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。變頻調(diào)速就是通過改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制 4個(gè)部分組成。 變頻器的選型和容量的確定本系統(tǒng)選用的是西門子全新一代標(biāo)準(zhǔn)變頻器 MicroMaster440功能強(qiáng)大，應(yīng)用廣泛。在電機(jī)的容量確定并選定其型號(hào)后，接下來就要確定變頻器的容量。但在連續(xù)的變動(dòng)負(fù)載或斷續(xù)負(fù)載中，因電動(dòng)機(jī)允許有短時(shí)間的過載，而且這種過載的時(shí)間經(jīng)常超過變頻器一般允許的一分鐘。電動(dòng)機(jī)的型號(hào)確定后，其額定電流可以從制造商提供的樣本中查到。S7200PLC 作為核心控制部件，它有總線訪問權(quán)，可以讀取或改寫變頻器的狀態(tài)，控制軟起動(dòng)器的運(yùn)行狀態(tài)，從而達(dá)到控制和監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的目的。S7200 選用 S7222CPU，軟件采用通信口功能，即 RS485 通信口。在硬件連接完畢后，需要對(duì)兩臺(tái) MM430變頻器的通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如表 所示。該系列離心式通風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)是特性曲線較平緩、無駝峰、運(yùn)行噪聲較小、效率高。運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)門可在 0176。范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，用以改變運(yùn)行工況，還可通過配置不同轉(zhuǎn)速的電動(dòng)機(jī)來改變其運(yùn)行工況,適應(yīng)性較好。我國地方煤礦的礦井中使用該系列通風(fēng)機(jī)較多，由于機(jī)型小，配置電動(dòng)機(jī)的容量也小,可配用 380V或660V電壓的電動(dòng)機(jī)，特別適用于無高壓(6000V)供電的礦井使用。離心風(fēng)機(jī)的作用：離心風(fēng)機(jī)是依靠輸入的機(jī)械能，提高氣體壓力并排送氣體的機(jī)械，它是一種從動(dòng)的流體機(jī)械。 離心風(fēng)機(jī)的工作原理與透平壓縮機(jī)基本相同，只是由于氣體流速較低，壓力變化不大，一般不需要