某金矿井下通风构筑物控制系统设计

胡巧琴 张君鹏 王 远 杜翠凤

（1.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083；2.招金矿业股份有限公司大尹格庄金矿，山东 招远 265414）

矿井通风构筑物是用于引导、隔断和调节风流的装置，合理安设及维护通风构筑物的运行是矿井通风技术管理的一项重要任务［1-2］。随着矿井自动化水平日益提高，井下通风构筑物的自动控制显得更加重要［3-4］，但是国内金属矿山大部分采用人工或半自动控制，且风门只有全开或全闭的2种方式，未能实现自动化和远程控制［5］。因此，众多学者结合了遥控技术和逻辑控制等技术，对通风构筑物的自动控制进行了研究和设计。郑东东［6］在大柳塔矿活鸡兔井原有自动风门上并联4路无线电子遥控模块，将风门的手动按钮控制方式改为远程遥控控制方式；李建等［7］利用DCS增设自动控制逻辑程序，将信阳公司辅助风门由非智能型的气动执行机构改为智能型，实现风门自动控制；刘秀峰等［8］通过实验室建模实现了利用PLC工控机运行远程操作界面对风门进行控制；苏霈洋等［9］利用PLC控制箱、传感器和带有自锁功能的防爆电机减速器和限位开关，对唐山矿109带式输送机巷道内卷帘风门和风窗控制装置进行了优化；杨微等［10］使用KJ86N监测监控系统开发了矿用无压风门远程控制可视化系统，对矿井风门开闭状态进行了监控；王敬志等［11］在风门上安装了摄像头，并且利用通讯网络将安全监测设施发出的控制命令传递至风门控制装置实现对风门的远程控制；XU Minhu等［12］利用协议库建立智能辅助监测终端，可对控制对象进行信号变频采样、报警记录等；WANG H J等［13］基于ZIGBEE和CAN技术建立了对矿内生产环境参数进行监控的控制系统。

目前，大多数对通风构筑物控制方式的研究未能将所有构筑物的作业状态集中管理，造成了数据信息的孤立，某金矿的井下通风构筑物控制情况也存在同样的问题。因此，本项目将针对该金矿存在的问题，以该金矿井下通风构筑物为研究对象，依照“上位机+自动控制技术+通风构筑物动力装置”的基本模式，对该金矿的井下通风构筑物控制系统进行优化。在工业生产应用中，PLC自动控制技术具有强大的控制功能、较高的抗干扰能力和良好的运行效果，逐渐替代传统的自动控制技术［14-15］；而NI公司的虚拟仪器LabVIEW作为一种用于虚拟仪器的组态软件，可以满足各种协议的通讯功能［16］，能够灵活地对各种信号数据进行处理［17-18］，可以作为系统的上位机的程序编写平台。

1 某金矿井下通风构筑物控制系统设计方案

1.1 某金矿通风构筑物控制系统现状

某金矿的地表标高为137 m，现阶段开采深度已达到-696 m，按照排尘风速计算，南区和北区的近期工作面总需风量分别为74.09 m3/s和137.61 m3/s。该金矿设有11个风门和30个风窗，虽然个别风门采用了电动控制方式，但所能执行的动作也较为单一，大多数通风构筑物仍需要工作人员先根据事情情况或者灾害情况判断所需要调控的通风构筑物的具体位置，再到现场进行人工控制。而近期生产过程中，已经出现了人员工作场所的气象温度超过《金属非金属矿山安全规程》所规定的湿球温度27℃，风速小于0.5 m/s的情况。尤其该矿的通风构筑物管理情况较为混乱，未形成集中控制和统一管理，使得整个控制过程更为繁琐且不及时，急需对通风构筑物的控制系统进行优化。

1.2 某金矿井下通风构筑物控制系统的设计方案

结合某金矿的井下通风构筑物控制现状，该金矿的井下通风构筑物控制系统应满足以下需求：①系统操作包括“手动模式”和“自动模式”可供选择，模式之间可以根据实际需求进行切换；②系统对井下通风构筑物的工作信号进行统一收集、处理、反馈，系统内部可根据反馈信号来控制相应构筑物，以实现远程自动化控制；③系统实现对各个构筑物的工作状态进行实时显示、即时存储、随时调用历史数据的功能；④系统对无法调控的构筑物进行精准报警提示，以提高安全性。

该控制系统的设计主要是利用PLC自动控制技术和相应传感器，对矿井内通风构筑物的开关状态以及风门的开启角度和风窗的开启面积的实时数据进行采集，采集到的实时数据将通过OPC Server接口与LabVIEW组态软件进行传输，最后在LabVIEW组态软件所编写的上位机监控界面上实现监测。在LabVIEW编写的上位机界面上还需实现提示报警功能和通风构筑物的手动控制功能，前者可通过布尔控件实现，后者可以通过滑动开关控件实现。该金矿井下通风构筑物控制系统的结构见图1。

2 井下通风构筑物控制系统的硬件设计

为了对通风构筑物的工作状态进行信号收集和自动或手动控制，每一个通风构筑物都需要2个数据输入点用于“构筑物工作信号”和“构筑物开关按钮”的数据输入，还需要3个数据输出点用于“运行正常提示灯”、“构筑物故障提示灯”和“构筑物轴动装置”的数据输出。除了风门和风窗的数据输入、输出点以外，还需设置2个输入点，分别作为系统总开关、构筑物急停按钮。该金矿内设置的11个风门和30个风窗，共需要84个数据输入点和123个数据输出点。

该金矿井下通风构筑物控制系统所需的数据输入、输出点的数量较多，故采用一台PLC设备作为主站、多台PLC设备作为从站的分站通讯模式，即主站发出控制信号，从站做出执行或反馈动作。由于一台PLC从站最多可提供16个数据传输点，该控制系统所需的207个数据传输点需要13台PLC设备作为从站与主站、主站和从站之间选择MODBUS通讯方式进行通讯。该金矿井下通风构筑物控制系统的分站结构见图2。

考虑到篇幅限制，本文将以控制-131 m水平面内的一个风门和一个风窗的13#从站为例进行展示。

对于13#从站来说，西门子S7-1200PLC控制单元1214 DC/DC/DC型号CPU具有75 kB的工作存储器和2 MB的装载存储器，该CPU上级扩展模块上的数字量输入每点所消耗的电流为4 mA；提供时间倒计时、比例积分微分模糊控制等算法功能，满足该从站的硬件要求，故选择西门子S7-1200-CPU1214-DC/DC/DC型PLC作为13#从站设备。该从站的输入、输出点设置见表1。

如表1所示，13#从站需要2个模拟量输入点、4个数字量输入点、2个模拟量输出点和4个数字量输出点。西门子S7-1200PLC控制单元1214CDC/DC/DC型号CPU的本地板载仅包含了8个数字量输入点、6个数字量输出点和2个模拟量输入点，故还需增加模拟量扩展模块，以满足2个模拟量的输出，此处选择为SM-1232-AQ型号的模拟量扩展模块。13#从站的硬件部分由西门子S7-1200PLC控制单元1214 DC/DC/DC型号CPU、SM-1232-AQ型号模拟量扩展模块、构筑物的轴动装置和传感器等组成，具体硬件接线见图3。

如图3所示，对于输入端，SB1～SB4分别为系统总开关按钮、全体构筑物急停按钮、风门开关按钮和风窗开关按钮；对于输出端，L1～L4分别为风门正常工作灯、风窗正常工作灯、风门故障报警灯和风窗故障报警灯，KM1～KM2分别为风门轴动装置和风窗轴动装置。

3 某金矿井下通风构筑物控制系统设计

3.1 井下通风构筑物控制系统工作原理

某金矿井下通风构筑物控制系统的PLC程序思路如下：①PLC设备输入端接收风窗电机正反转限位信号Si和风门开合角度信号Ai；②将模拟量信号Si和Ai通过CONV指令进行数据类型的转换操作，得到数值Si'和Ai'；将转换完的数字信号Si'和Ai'通过NORM_X指令进行数据的标准化操作，得到数值Si"和Ai"；③转化完的标准化数值Si"和Ai"分别进行传入上位机进行实时显示判断是否符合预期工作状态和存入数据库BD的操作，保证数据的充分利用以及历史数据的完整性；④将标准化数值Si"和Ai"与预期工作状态进行比对，判断通风构筑物的工作状态是否符合预期，再根据实际情况进行下一步控制；⑤当系统自动识别出的通风构筑物调节方案或报警提示时，系统可以按照程序自动调节或报警；或者当操作人员有调节通风构筑物的需求时，可在监控界面进行对通风构筑物的控制操作，具体动作包括风窗电机的正反转选择和风门的开合角度调整；⑥当有通风构筑物的工作状态改变时，PLC会自动将有变化的通风构筑物工作状态和预期工作状态进行比对，再进行相应调节动作；⑦最终，该控制系统通过程序自动模式或者人工手动模式完成通风构筑物的调控。

该金矿井下通风构筑物控制系统的程序流程见图4。

3.2 井下通风构筑物控制系统上位机设计

该金矿井下通风构筑物控制系统的上位机使用LabVIEW组态软件进行编写。在LabVIEW的程序框图中添加While循环框，并在While循环框里添加Visa配置串口和读取缓存区等组件；在While循环框外与前面板的显示控件和布尔控件进行连接，控件分别用于系统的数据显示功能和手动控制功能的实现，显示控件和布尔控件的数量应与通风构筑物的实际数量相同。由于该控制系统的控制对象类型不唯一，为了方便后期生产中新安设的通风构筑物监控界面的添加，该系统将风门和风窗监控界面利用选项卡控件置于不同的选项页面独立显示。此处，同样是以控制-131 m水平面内的一个风门和一个风窗的13#从站的前面板进行展示，该分站的前面板即监控界面见图5。

3.3 井下通风构筑物控制系统的安全性保障

考虑到矿井内环境的复杂多变以及程序的编写、设备的运行都受到工作环境的各种因素影响，该金矿井下通风构筑物控制系统应该采取措施来保障系统的稳定运行。

（1）软件的安全性。除了实际生产环境的影响，程序的编写和运行还应考虑系统的开发周期、软件的安全性、开发环境的稳定性以及软件和硬件设备之间的通信与兼容问题等综合因素［19］。PLC程序设计部分采用西门子公司提供的博图TIA Portal工程软件进行编写，可以使用博图仿真软件PLCSIM模拟调试S7-1200程序，博图TIA Porta和PLCSIM软件都具有程序错误识别功能以及故障安全功能库所包含的故障安全指令也具有反馈监视功能［20］，会对新键入的指令功能块和新输入或修改的输入数据进行判错。LabVIEW同样具备错误识别功能。当程序出错时，连线中的单步运行键会由直箭头变成断箭头。出现问题，此时LabVIEW中的单步运行键由直箭头变成断箭头。程序错误的详细信息可以在错误列表里进行查看，作为修改程序的参考。

（2）抗干扰措施。PLC控制系统的运行受到工作环境的温度、介质、振动等因素的影响［21］，并且矿井通风构筑物控制系统所处的作业环境恶劣且多变，PLC设备或者通讯硬件出现故障时，可能导致整个系统瘫痪［22］。为了提高该金矿井下通风构筑物控制系统的抗干扰能力，应对PLC设备和信号线采取以下措施：① PLC设备的工作环境湿度小于85%，温度在0～55℃的范围内；②PLC设备远离震动源和开采区，可以在PLC和电控柜的接触面上加设减震带；③信号线尽量使用带屏蔽网的材料；④信号线的屏蔽网接地；⑤信号线尽量不共管。

4 结论

本次设计以西门子S7-1200系列PLC设备作为主要控制单元，利用LabVIEW组态软件编写监控界面，建立了某金矿井下通风构筑物控制系统；本次设计实现了对某金矿井下通风构筑物的工作信号的采集、处理和实时监控，以及实现了对通风构筑物的自动和手动控制；该系统在该金矿上运行效果良好、状况稳定，提高了矿井的生产效率，具有一定的应用前景。