礦用遠程定量調(diào)節(jié)風窗研制與應(yīng)用

許恬

礦井通風設(shè)施是礦井通風系統(tǒng)的重要組成部分，是礦井通風系統(tǒng)穩(wěn)定、合理的重要保障[1-3]。調(diào)節(jié)風窗是煤礦通風系統(tǒng)中調(diào)節(jié)控制通風流量的設(shè)施，通過調(diào)節(jié)風窗通風面積實現(xiàn)對井下通風系統(tǒng)的風量調(diào)節(jié)是最基本的技術(shù)手段[4-5]。目前對風窗通風面積的調(diào)節(jié)基本是人工操作。手動調(diào)節(jié)過程存在風量調(diào)節(jié)精度不高，費時費力的缺陷，尤其多個設(shè)施的同步調(diào)節(jié)，效率低且可靠性和穩(wěn)定性都很差。研發(fā)煤礦井下遠程定量控制調(diào)節(jié)風窗，可有效提升礦井通風設(shè)施的管控能力。

1 總體結(jié)構(gòu)

百葉式風窗通過窗葉旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)過風面積，便于遠程控制，具有結(jié)構(gòu)緊湊，地形適應(yīng)能力強的優(yōu)點。根據(jù)煤礦井下的環(huán)境要求，選擇百葉式風窗作為礦用風量定量調(diào)節(jié)風窗研發(fā)設(shè)計方案。定量控制百葉式調(diào)節(jié)風窗主要包括：風窗框架和窗葉、動力傳動裝置、運動機構(gòu)和小門。風窗的窗體由若干個百葉構(gòu)成，在氣馬達旋轉(zhuǎn)力量帶動下實現(xiàn)窗體百葉的旋轉(zhuǎn)，從而改變窗體的過風面積。在右側(cè)設(shè)計一個小門，方便人員通行。風窗的調(diào)節(jié)由上位機軟件遠程發(fā)布命令通過氣動馬達控制，電控系統(tǒng)通過TCP/IP協(xié)議接入井下環(huán)網(wǎng)與上位機軟件通信，采用礦用防爆電磁閥控制壓縮空氣的接通與關(guān)閉，實現(xiàn)調(diào)節(jié)風窗的遠程定量控制。風窗同時具備手動輪鏈條系統(tǒng)，可就地手動控制調(diào)節(jié)。根據(jù)巷道用途、尺寸、最大過風量、風壓等條件，經(jīng)過計算確定百頁式調(diào)節(jié)風窗有5個活動扇葉。

1.1 風窗框架

風窗的支撐框架主要由窗扇框和小門門框兩部分組成，各部分由螺栓連接成為一個整體結(jié)構(gòu)，為動力傳動裝置、運動機構(gòu)、小門等器件提供固定安裝載體。窗扇框架由立擋板、上下?lián)醢逋ㄟ^螺栓拼接固定而成。在框架內(nèi)部等間距布置了四道隔板，形成了五個風流通道，并在通道內(nèi)安裝5個風窗窗葉，通過窗葉角度的變化，改變風流通道的過風面積(如圖1)。

圖1 風窗整體結(jié)構(gòu)

1.2 動力系統(tǒng)

每個調(diào)節(jié)風窗配備兩套動力系統(tǒng)：氣動馬達和手動動力系統(tǒng)。正常工作條件下，以壓縮空氣為動力，使用氣動馬達進行過風斷面調(diào)節(jié)；在井下停電、壓縮空氣中斷等異常條件下，使用手動搖把系統(tǒng)應(yīng)急調(diào)節(jié)風窗過風面積。氣動馬達是將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機械能的裝置，其工作介質(zhì)是空氣，氣動馬達過載時能自動停轉(zhuǎn)，而與供給壓力保持平衡狀態(tài)。手動輪鏈條系統(tǒng)正常情況下?lián)u把處于脫離狀態(tài)，當需要應(yīng)急人工調(diào)節(jié)時，插入搖把，搖動搖把實現(xiàn)風窗面積的增大或減小，完成手動調(diào)節(jié)面積后，再將搖把拔出。

1.3 風窗運動機構(gòu)

風窗運動機構(gòu)安裝于支撐結(jié)構(gòu)上，主要由窗扇、連桿和小門三部分組成。風窗調(diào)節(jié)過程中，在動力及傳動裝置的作用下，運動機構(gòu)發(fā)生水平直線運動或者旋轉(zhuǎn)運動，使得風窗過風面積發(fā)生變化。

運動機構(gòu)運動過程：百葉式調(diào)節(jié)風窗每個窗扇的軸與短連桿固定連接，短連桿與長連桿同步鉸接，長連桿在氣馬達作用下帶動短連桿轉(zhuǎn)動，驅(qū)動窗扇調(diào)節(jié)面積。左圖窗扇處于豎直位置，此時風窗處于完全關(guān)閉狀態(tài)，過風面積為0；中圖窗扇旋轉(zhuǎn)到45°位置，此時過風面積為最大調(diào)節(jié)面積的50%；右圖窗扇處于水平位置，風窗處于完全打開狀態(tài)，過風面積最大（圖2）。

圖2 風窗完全關(guān)閉、打開一半和完全打開三種狀態(tài)示意

小門：為了方便行人，在百葉式調(diào)節(jié)風窗右側(cè)設(shè)置了行人小門。小門采用方鋼管焊接構(gòu)成門體框架，外敷1 mm的蒙皮組成。行人小門寬640 mm，高16 000 mm，行人稍稍低頭即可順利通過，在小門上方設(shè)置了330 mm×330 mm鋼化玻璃觀察窗，用于觀察對面風窗行人情況。行人小門上方設(shè)置風門狀態(tài)傳感器，用于檢測小門是否關(guān)到位，防止漏風。當小門開啟或者小門未關(guān)到位，語音報警裝置不斷發(fā)出提示：“小門未關(guān)到位，請重新關(guān)小門”，直到小門完全關(guān)閉為止。

2 設(shè)計與控制原理

2.1 過風面積控制原理

百葉式調(diào)節(jié)風窗窗扇處于豎直位置時風窗處于完全關(guān)閉狀態(tài)，過風面積為0，隨著活動窗扇的轉(zhuǎn)動，活動窗扇面積與其在豎直面上的投影面積之差就是單個活動窗扇的過風面積?；顒哟吧鹊男D(zhuǎn)角度可以由旋轉(zhuǎn)編碼器測得，通過讀取旋轉(zhuǎn)角度可算出單個窗扇的過風面積，最終換算為風窗的過風面積。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計原理

控制系統(tǒng)包括地面主機、控制用電控主機和外圍傳感器三部分組成。地面主機作為電控系統(tǒng)服務(wù)器同時接入井下環(huán)網(wǎng)與地面辦公網(wǎng)絡(luò)，地面主機安裝上位機軟件，作為井下調(diào)節(jié)風窗控制管理平臺，實現(xiàn)對風窗的遠程調(diào)節(jié)。井下電控主機采用礦用隔爆兼本安型電控裝置主機，采用PLC可編程控制器作為核心設(shè)備，其邏輯控制方式可通過軟件編程來實現(xiàn)，使復(fù)雜的控制邏輯變得簡單。系統(tǒng)通過本安型輸入輸出隔離元件，讀取外部設(shè)備開關(guān)及傳感器信號，并輸出相應(yīng)的控制指令，通過信息交換系統(tǒng)與上位機系統(tǒng)進行通信。電控系統(tǒng)外圍傳感器主要有旋轉(zhuǎn)編碼器、開關(guān)量傳感器（行程開關(guān)和接近開關(guān)）、小門狀態(tài)傳感器、氣源壓力傳感器和風速傳感器，分別用于檢測風窗活動窗扇旋轉(zhuǎn)角度、防止運動機構(gòu)沖出極限位置的風窗運動機構(gòu)的極限位置檢測、小門的開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測、壓縮空氣的壓力值和調(diào)節(jié)風窗前方巷道風速。

3 工作原理

上位機軟件安裝在地面監(jiān)控機房，實時監(jiān)測和控制井下調(diào)節(jié)風窗的運行狀態(tài)，調(diào)節(jié)風窗的調(diào)控設(shè)施作為執(zhí)行機構(gòu)安裝在井下風量調(diào)節(jié)地點，用于實現(xiàn)風量調(diào)控。電控系統(tǒng)通過井下環(huán)網(wǎng)和氣路與上位機軟件和調(diào)節(jié)風窗通信聯(lián)通，既向上位機軟件上傳各傳感器和風窗的運行狀態(tài)和監(jiān)測數(shù)據(jù)，又向調(diào)節(jié)風窗傳輸上位機軟件的決策命令，進行風窗和風量的遠程調(diào)控。風量的監(jiān)測是通過監(jiān)測巷道的平均風速和斷面積計算所得。由于一個風速傳感器只能監(jiān)測一個點的風速，而巷道斷面上各個點的風速分布不均，為了監(jiān)測整個巷道斷面平均風速，需要給定風速補償系數(shù)進行修正計算平均風速，修正系數(shù)是將傳感器監(jiān)測值與人工測得的平均風速加以比較確定[6]。

表1 百葉式調(diào)節(jié)風窗技術(shù)參數(shù)表

4 應(yīng)用效果

遠程定量控制調(diào)節(jié)風窗在白洞煤礦8112工作面開展了現(xiàn)場應(yīng)用，風窗安裝在8112工作面回風巷回風繞道內(nèi)，用于測量和調(diào)控8112工作面的回風量。在8112工作面為備用工作面時安裝調(diào)節(jié)風窗，并進行了調(diào)節(jié)風窗過風面積遠程調(diào)節(jié)實驗，根據(jù)配風需求設(shè)定過風面積1.008 m2，利用上位機軟件直接設(shè)定面積值1.008 m2，調(diào)節(jié)完成后實測面積值1.005 m2，相對誤差0.298%，如圖3。8112工作面由備用轉(zhuǎn)入回采時，需風量增大，應(yīng)用上位機軟件進行了百葉式調(diào)節(jié)風窗過風量調(diào)整，設(shè)定風量為1 450 m3/min，調(diào)控完成后，實測8112回風繞道風量1 490.5 m3/min，相對誤差為2.72%。調(diào)節(jié)風窗調(diào)控動作時間均小于10 s。

圖3 調(diào)節(jié)風窗監(jiān)測控制對話框

5 結(jié)論

（1）百葉式風窗通過氣動馬達帶動窗葉旋轉(zhuǎn)，由旋轉(zhuǎn)編碼器測得轉(zhuǎn)數(shù)后計算得出風窗過風面積，實現(xiàn)了對巷道過風面積的準確定量調(diào)節(jié)。

（2）風窗調(diào)節(jié)命令由地面上位機軟件發(fā)布，通過井下電控系統(tǒng)調(diào)控，以壓縮空氣為動力，實現(xiàn)了調(diào)節(jié)風窗的遠程、快速控制，提高了礦井通風管理的信息化和自動化技術(shù)水平。