張俊輝，孫勤盛，王 凱，郝晉偉，畢俊剛

(1.西山煤電集團(tuán) 西銘礦，山西 太原 030053； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013)

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控風(fēng)決策支持系統(tǒng)中控風(fēng)設(shè)施設(shè)計(jì)研究

張俊輝1，孫勤盛1，王 凱2，郝晉偉3，畢俊剛1

(1.西山煤電集團(tuán) 西銘礦，山西 太原 030053； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013)

為了有效控制井下災(zāi)變時(shí)期事故范圍擴(kuò)大化，設(shè)計(jì)了一種既能作為普通礦用風(fēng)門(mén)滿足日常行人過(guò)車需求又能以執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于控風(fēng)決策支持系統(tǒng)的控風(fēng)設(shè)施，分別對(duì)控風(fēng)設(shè)施進(jìn)行了機(jī)械設(shè)計(jì)和監(jiān)控分站軟硬件設(shè)計(jì)。此種救災(zāi)風(fēng)門(mén)在正常生產(chǎn)時(shí)期作為壓力平衡風(fēng)門(mén)較普通平衡風(fēng)門(mén)有易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制以及開(kāi)啟關(guān)閉平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，并且實(shí)現(xiàn)機(jī)械閉鎖功能，而在災(zāi)變時(shí)期又能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)應(yīng)急救援，有極強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

風(fēng)流控制；決策支持系統(tǒng)；控風(fēng)設(shè)施；風(fēng)壓平衡風(fēng)門(mén)

一通三防是礦井事故發(fā)生的主導(dǎo)因素，而礦井通風(fēng)系統(tǒng)是礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分之一，更是保證整個(gè)礦井實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)[1]. 瓦斯爆炸、煤塵爆炸以及電纜火災(zāi)、皮帶火災(zāi)等事故的發(fā)生都會(huì)產(chǎn)生大量有毒有害氣體。電纜火災(zāi)、皮帶火災(zāi)事故往往在初期沒(méi)有得到及時(shí)控制造成火勢(shì)逐漸變大，火災(zāi)產(chǎn)生火風(fēng)壓的作用造成整個(gè)礦井通風(fēng)系統(tǒng)癱瘓，表現(xiàn)為風(fēng)流紊亂，使事故蔓延擴(kuò)大造成大量人員傷亡。災(zāi)變時(shí)期通風(fēng)調(diào)度就要進(jìn)行科學(xué)的決策[2].科學(xué)決策的關(guān)鍵在于合理地運(yùn)用通風(fēng)手段，防止事故產(chǎn)生的有毒有害氣體蔓延及火風(fēng)壓對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)造成危害[3].1 控風(fēng)決策支持系統(tǒng)風(fēng)流控制方法

重大火災(zāi)事故易導(dǎo)致的通風(fēng)系統(tǒng)癱瘓的基本形式有煙流逆退和風(fēng)流逆轉(zhuǎn)兩種類型。災(zāi)變時(shí)期控制風(fēng)流的基本措施有風(fēng)量控制、風(fēng)壓調(diào)節(jié)控制、風(fēng)流流動(dòng)方向控制。風(fēng)流流動(dòng)方向控制包括全礦反風(fēng)法、局部區(qū)域反風(fēng)法以及風(fēng)流短路法。

控制風(fēng)流基本措施中的風(fēng)流短路法和局部區(qū)域反風(fēng)法，都需要預(yù)先在巷道布置常閉風(fēng)門(mén)組和常開(kāi)風(fēng)門(mén)組來(lái)達(dá)到控風(fēng)的目的。由于常閉風(fēng)門(mén)組在此特定情況下需要解除閉鎖將兩道風(fēng)門(mén)同時(shí)打開(kāi)，因此對(duì)常閉風(fēng)門(mén)組控風(fēng)設(shè)施進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 控風(fēng)設(shè)施機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有壓力平衡風(fēng)門(mén)實(shí)現(xiàn)異向同步開(kāi)閉的裝置穩(wěn)定性差、風(fēng)門(mén)關(guān)閉過(guò)快、易傷過(guò)往行人和損壞風(fēng)門(mén)，且在控風(fēng)決策支持系統(tǒng)中需要兩道風(fēng)門(mén)同時(shí)開(kāi)啟時(shí)不能解除機(jī)械閉鎖而開(kāi)啟。鑒于以上普通風(fēng)門(mén)的不足及不能滿足在特定情況控制風(fēng)流的要求，設(shè)計(jì)研究了一種既能作為普通通風(fēng)設(shè)施自動(dòng)開(kāi)啟又能應(yīng)用于控風(fēng)決策支持系統(tǒng)中遠(yuǎn)程控制兩道門(mén)同時(shí)開(kāi)啟的救災(zāi)壓力平衡風(fēng)門(mén)。

2.1 救災(zāi)壓力平衡風(fēng)門(mén)主體設(shè)計(jì)

救災(zāi)壓力平衡風(fēng)門(mén)主要由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、門(mén)框、閉鎖箱、閉鎖三角塊、恢復(fù)閉鎖限位彈簧、重錘組成。救災(zāi)壓力平衡風(fēng)門(mén)主視圖見(jiàn)圖1.

1—傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 2—門(mén)框 3—閉鎖箱 4—閉鎖三角塊 5—恢復(fù)閉鎖限位彈簧 6—重錘圖1 救災(zāi)壓力平衡風(fēng)門(mén)主視圖

救災(zāi)壓力平衡風(fēng)門(mén)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)門(mén)扇異向同步開(kāi)啟的核心機(jī)構(gòu)是風(fēng)門(mén)聯(lián)動(dòng)裝置，聯(lián)動(dòng)裝置中的傳動(dòng)輪與門(mén)扇上部的門(mén)軸相嵌入，從而將作用在風(fēng)門(mén)上的風(fēng)壓通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為一種內(nèi)力并得到平衡，保證了風(fēng)門(mén)打開(kāi)時(shí)省力、方便靈活[4]. 在礦井正常生產(chǎn)時(shí)期，遠(yuǎn)程控風(fēng)設(shè)施的常閉風(fēng)門(mén)組作為保證礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全的通風(fēng)設(shè)施，處于自動(dòng)風(fēng)門(mén)工作模式時(shí)，其可以滿足礦井正常時(shí)期行人過(guò)車的需要。機(jī)械閉鎖裝置能夠在特定救援模式下將閉鎖三角塊推出，實(shí)現(xiàn)解除閉鎖達(dá)到風(fēng)流控制功能。

2.2 聯(lián)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

普通壓力平衡風(fēng)門(mén)實(shí)現(xiàn)異向同步開(kāi)啟的機(jī)構(gòu)主要由傳動(dòng)桿CD實(shí)現(xiàn)，而此種風(fēng)門(mén)在災(zāi)變時(shí)期不易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，并且在重錘牽引下關(guān)門(mén)瞬間無(wú)緩沖作用會(huì)產(chǎn)生較大的關(guān)門(mén)速度，容易損壞風(fēng)門(mén)以及傷到過(guò)往行人及車輛，見(jiàn)圖2.

圖2 普通風(fēng)壓平衡風(fēng)門(mén)傳動(dòng)桿示意圖

設(shè)計(jì)的新型救災(zāi)壓力平衡風(fēng)門(mén)的聯(lián)動(dòng)裝置固定于門(mén)框位于門(mén)體上方，包括傳動(dòng)輪、鏈條、傳動(dòng)桿、門(mén)軸、動(dòng)力氣缸、動(dòng)力氣缸缸桿連接件、門(mén)開(kāi)到位擋板、緩沖氣缸、緩沖氣缸缸桿連接件。平衡風(fēng)門(mén)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3.

8—傳動(dòng)輪 9—鏈條 10—傳動(dòng)桿 11—門(mén)軸 12—?jiǎng)恿飧?13—缸桿連接件 14—門(mén)開(kāi)到位擋板 15—緩沖氣缸 16—缸桿連接件圖3 新型風(fēng)壓平衡風(fēng)門(mén)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.3 閉鎖裝置設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了無(wú)壓平衡風(fēng)門(mén)的機(jī)械閉鎖裝置，機(jī)械閉鎖裝置包括：閉鎖塊、恢復(fù)閉鎖限位彈簧、重錘和閉鎖失效動(dòng)作氣缸等。閉鎖裝置主視圖和俯視圖見(jiàn)圖4.

3—閉鎖箱 4—閉鎖三角塊 5—恢復(fù)閉鎖限位彈簧 6—重錘 7—閉鎖失效動(dòng)作氣缸圖4 閉鎖裝置主視圖和俯視圖

3 控風(fēng)設(shè)施監(jiān)控分站硬件軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控分站的硬件軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了作為普通風(fēng)壓平衡風(fēng)門(mén)在正常時(shí)期保證通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定的自動(dòng)風(fēng)門(mén)功能，且其在決策支持系統(tǒng)中作為控風(fēng)設(shè)施的控制功能。遠(yuǎn)程控風(fēng)設(shè)施結(jié)合礦井通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際情況，通常以常開(kāi)風(fēng)門(mén)或常閉風(fēng)門(mén)組的形式預(yù)先設(shè)置在某些特定巷道中，在特定情況實(shí)現(xiàn)了風(fēng)流短路、區(qū)域反風(fēng)等控制風(fēng)流的措施，從而防止火風(fēng)壓造成的風(fēng)流紊亂和火災(zāi)產(chǎn)生的有毒有害氣體蔓延導(dǎo)致事故擴(kuò)大化。作為系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)在啟動(dòng)救援系統(tǒng)后常開(kāi)風(fēng)門(mén)根據(jù)系統(tǒng)命令執(zhí)行關(guān)閉動(dòng)作，切斷巷道風(fēng)流；常閉風(fēng)門(mén)組需要兩道風(fēng)門(mén)全部打開(kāi)時(shí)，控制系統(tǒng)下達(dá)命令將遠(yuǎn)程控風(fēng)設(shè)施的機(jī)械閉鎖解除，隨后同時(shí)開(kāi)啟兩道風(fēng)門(mén)，使巷道風(fēng)流導(dǎo)通。

3.1 監(jiān)控分站硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控分站是控風(fēng)決策支持系統(tǒng)的核心組成部分，根據(jù)救災(zāi)風(fēng)門(mén)監(jiān)控分站的性能要求和S7-200-CPU224的性能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了監(jiān)控分站主機(jī)。主要有隔爆箱體、可編程控制器、模擬量輸入模塊EM231、數(shù)字光端機(jī)、隔離安全柵、開(kāi)關(guān)電源、充電器、鉛酸蓄電池、變壓器、固態(tài)繼電器、電源切換電路、蓄電池過(guò)放保護(hù)電路、開(kāi)蓋斷電裝置等主要零部件組成[5].監(jiān)控分站內(nèi)部結(jié)構(gòu)電氣原理圖見(jiàn)圖5. 監(jiān)測(cè)行人和車輛信號(hào)選用常州宇達(dá)安防科技有限公司生產(chǎn)的FHF5礦用本質(zhì)安全對(duì)射型紅外傳感器，包括一個(gè)紅外發(fā)送器和一個(gè)紅外接收器。

圖5 監(jiān)控分站內(nèi)部結(jié)構(gòu)的電氣原理圖

3.2 監(jiān)控分站軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控分站PLC程序設(shè)計(jì)采用模塊化和線性化結(jié)構(gòu)相結(jié)合，用順序控制法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控風(fēng)設(shè)施分站軟件編程。在編程過(guò)程中應(yīng)用程序組織單元有效的配置了系統(tǒng)資源，優(yōu)化了編程思路。主程序流程圖見(jiàn)圖6.

順序控制設(shè)計(jì)法是組織線性化程序結(jié)構(gòu)的一種有力工具，采用順序控制設(shè)計(jì)法編寫(xiě)監(jiān)控分站的主程序，主程序順序功能圖見(jiàn)圖7.

圖6 監(jiān)控分站主程序流程圖

圖7 主程序順序功能圖

M0.0位寄存器記錄狀態(tài)初始化子程序工作狀態(tài)。自動(dòng)風(fēng)門(mén)工作模式M1.0、M1.1、M1.2、M1.3寄存兩道風(fēng)門(mén)向里向外走4個(gè)工作狀態(tài)，主程序?qū)?道紅外傳感器輸入信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)判斷進(jìn)入自動(dòng)風(fēng)門(mén)工作模式相應(yīng)的4個(gè)子程序，相應(yīng)子程序執(zhí)行完成整個(gè)開(kāi)關(guān)門(mén)動(dòng)作。

4 結(jié) 論

1) 本文分析了普通平衡風(fēng)門(mén)設(shè)計(jì)不足且不能滿足決策支持系統(tǒng)控制要求，提出了設(shè)計(jì)新型風(fēng)壓平衡風(fēng)門(mén)。

2) 確定了新型控風(fēng)設(shè)施的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了一種具有較高可靠性的救災(zāi)門(mén)，并逐步對(duì)救災(zāi)門(mén)的聯(lián)動(dòng)裝置、機(jī)械閉鎖裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)生產(chǎn)。

3) 控風(fēng)設(shè)施在控風(fēng)決策支持系統(tǒng)中是控制風(fēng)流的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了可靠的監(jiān)控分站并對(duì)其實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，使能夠在正常時(shí)期處于自動(dòng)風(fēng)門(mén)工作模式滿足行人車輛的通過(guò)要求，災(zāi)變時(shí)期解除機(jī)械閉鎖達(dá)到風(fēng)流控制功能。

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Research on Design of Air Control Facilities in Airflow Control Decision Support System

ZHANG Junhui, SUN Qinsheng, WANG Kai, HAO Jinwei, BI Jungang

To effectively control the expansion of the accident in underground, a control system is designed, which can meet the requirements of worker’s daily going through, of tramcar’s passing through, also can be used for the air control facilities. It consists of mechanical system design and monitoring system design in sub-station involving hardware and software. The air door dedicated in urgent relief, it acts the function of air balance in normal time with the advantages of easy to be automatically open and closed in a stable way, meanwhile achieve the mechanical locking function. And in emergency it plays the role of remote control for quick rescue, has strong field application value.

Air current control; Decision support system; Air control facilities; Air door for pressure balance

2017-01-15

張俊輝(1984—)，男，山西太原人，2015年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦管理工作

(E-mail)anchorsqs@qq.com

TD724

B

1672-0652(2017)03-0038-03