PLC控制技術在礦井通風機中的應用研究

王燕青

（山西焦煤西山煤電西曲礦， 山西 古交 030200）

引言

通風機是煤礦井下工作作業場所中的主要通風設備，對煤礦產煤作業的安全性有著非常關鍵的作用。目前，許多礦井中通風機的控制方式主要采用人工直接進行的開關啟停方式，這對于提高煤礦自動化水平，保障煤礦有效、合理的通風，進而保障煤礦安全生產有著嚴重的制約作用。煤礦井下巷道中通風量的大小，需要結合巷道管網阻力及井下瓦斯的濃度情況及時進行合理的調整，以滿足井下巷道風量的要求，排除井下有害氣體。近年來，由于可編程控制器（PLC）的興起與在其他相關領域的成熟應用，與變頻器相結合起來，逐漸尋求到一種以PLC控制技術為基礎的控制系統代替人為的落后的控制方式，實現通風機的自動化控制和風量的自動監測，滿足煤礦通風的自動化要求，同時，以PLC控制技術為基礎的控制系統可靠性比較高，能夠實時地監測和實現報警功能。

1 PLC控制技術在礦井通風機上的應用概況

PLC控制技術在礦井通風機的應用，其中涉及的功能包括邏輯控制、過程控制、模擬量控制、數據處理和通訊聯網。邏輯控制功能主要是針對巷道中的通風機不同工況之間的切換，或有多于一臺通風機相互切換時的控制。過程控制功能，主要是用來對風機的風量、風壓等參數大小等的調節，通過控制風量和風壓的大小，可以將巷道內的瓦斯濃度控制在作業的安全范圍內。模擬量控制功能主要是實現信號的輸入和輸出模塊，將巷道管網壓力、風量、溫度以及瓦斯濃度等模擬量信號進行采集、轉換成容易識別的數字量，數字量經過PLC內部中央處理器進行一定的運算處理后，再將經過的數字量結果轉換成模擬量信號輸出，實現對外部設備的控制，以達到規定要求的結果。數據處理功能，主要是針對信號采集時輸入與信號處理后按設定輸出過程的一些數據的轉換、傳送、比較、運算等處理。通訊聯網功能，通過利用各種網絡協議，將外部電氣設備與計算機連接，實現通訊，如通過運用現場總線和以太網技術，能夠實現對煤礦井下通風機進行遠程實時控制，進而可以對不同區域的通風機進行集中管理，提高了煤礦通風系統的管控自動化水平。

2 通風機在礦井中安裝情況簡述

在煤礦礦井中一般會配備兩臺相同規格型號的礦用通風機，其安裝位置如圖1所示。在煤礦通風系統中，正常情況只會啟用其中一臺通風機，另一臺只作為備用機，用來在維護保養及故障時互相切換使用。

圖1 通風機系統安裝位置示意圖

3 PLC控制技術在礦井通風機中的應用設計

3.1 系統控制方案

本系統特點主要是通過PLC控制技術實現兩臺變頻器進行控制，然后再通過這兩臺變頻器來對風機的變頻運行進行控制。還可用來實現風機的手動、自動變頻及工頻這三者之間工況運行的互相切換。另外，還可實現通風機運行狀態監測和故障報警等功能的控制。該方案主要是通過PLC的模擬量控制方式來實現的。控制系統功能原理如下頁圖2所示。

通風機在自動變頻運行時，首先通過瓦斯和壓力傳感器等采集作業面上的現場實時的瓦斯濃度及風機管道的出氣風壓等數據。然后將采集到的信號數據經過PLC的A/D轉換模塊，將模擬量信號轉換為處理器可以識別處理的數字量信號。處理器會自動將收集到的數據與程序中設定好的數據進行對比分析，通過比較判斷與給定值的大小，來進一步輸出判定結果，之后經過轉換為模擬量信號傳遞給變頻器，進而實現風機的變頻調速。

圖2 控制系統功能原理圖

3.2 控制電路的設計

采用PLC的控制技術對風機進行控制系統硬件電路的設計時，可以省去大量的傳統的繼電器-接觸器這類控制元器件，使這種復雜接線控制方式更為簡化，提高了系統的可靠性。應用以PLC為基礎的控制系統，風機可以實現在手動工頻、自動變頻和手動變頻這三種運行狀態下的指定情況下的自行切換。當風機在自動變頻狀態下運行時，主要是通過傳感器檢測到風壓、瓦斯濃度信號經過系統自行分析、對比、處理后反饋輸出后實現通風機的變頻調速控制。

3.3 PLC軟件流程圖設計

PLC軟件程序設計采用模塊化結構，編程過程主要是采用梯形圖（LAD）語言，容易理解，編寫簡單，比較直觀，而且修改也很容易。礦井通風系統的PLC程序主要有主程序和一些子程序。主控制程序主要是實現風機的自動變頻、手動變頻和工頻運行、子程序的調用和中斷時間的設置，以及實現瓦斯濃度超限報警、變頻器和風機故障報警、變頻器故障復位等功能。子程序包括有模擬量采集子程序，風機自動切換控制程序及風機啟停控制程序。模擬量采集流程如圖3所示。

為了不影響正常生產，保證系統的連續運行，礦井通風系統采用的是兩臺通風機，一用一備，傳統的控制方式主要是靠人工切換，當一臺出現故障時，另一臺才會啟用，這樣就會造成工作機長時間運行而設備損耗嚴重導致無法繼續運用，而備用也由于長時間擱置而出現損耗。因此，針對這種工作情況，避免出現這種傳統一用一備作業方式人工切換帶來的缺陷，主要通過PLC自動控制技術，實現兩機的定期自動切換。其實現方法的控制流程如圖4所示。

圖3 模擬量采集與處理流程

圖4 雙機自動切換控制流程

圖5 啟動控制流程

圖6 停止控制流程

在PLC控制柜上設有自動、手動兩種控制模式。自動模式主要就是PLC控制技術的實現，轉換到手動模式主要是人為撥動開關進行調試作用的。一般情況下，系統采用自動模式的運行方式，當上位機發出對風機的啟停信號時，PLC通過控制風機電機和風門，來實現對風機的啟停控制。風機的啟/停控制流程如圖5、圖6所示。

4 結語

PLC控制技術在煤礦通風機中的應用，不僅能夠根據作業現場瓦斯濃度的變化情況及時調整風機的轉速，合理調控巷道內的通風量，不僅滿足作業場所的需要，還避免了不合理的浪費，減少了不必要的能耗。同時，將巷道內的瓦斯濃度降低在安全標準的范圍內，為煤礦的安全生產提供了保障。