PLC 技術在煤礦通風安全中的應用研究

李國鋒

（西山煤電西曲礦， 山西 古交 030200）

引言

隨著以單片機為基礎的PLC 自動控制技術的發展，為煤礦井下通風系統智能控制提供了堅實的技術基礎。PLC 智能監控技術能實現對通風系統主要參數的連續監控，通過在PLC 預先存入的邏輯判斷語句，對監測到的通風系統參數值進行判斷，并輸出可以被通風設備設施識別的控制信號，控制通風設備設施進行相應的動作，從而實現了通風系統的智能化、自動化控制，提高了通風系統的安全性。

1 PLC 技術控制機理

PLC 技術是以單片機技術為基礎的智能控制技術，它將監測到的電信號轉換為數字信號后，經控制器中預先輸入的邏輯語句的判斷，輸出相應的控制信號，經輸出模塊轉換為電信號控制設備設施做出相應的動作，從而實現設備設施的自動智能控制。

2 煤礦井下通風系統智能控制設計

2.1 智能通風控制系統設計機理

通風系統是礦井開采的重要輔助系統，通風系統的可靠性、耐久性和工作效率對井下開采作業的安全極為重要，通風系統為井下提供新鮮空氣，攜帶煤礦開采過程中積聚的瓦斯、硫化氫等有毒有害氣體，同時攜帶大量生產過程中產生的熱量排出地表，根據通風系統的工作特點，確定風速、瓦斯濃度、溫度作為監測參數。根據監測到的監測數值及其在一定時間內的變化決定風門的開閉狀態、開啟程度和局部通風機的啟停狀態，設計井下風門存在開啟1/2 和全開狀態[1]。為了確保井下通風系統的安全，風機和風門的開啟可以由PLC 控制系統自動控制，風門的關閉和局部通風機的關閉應由人工操作，防止因機械故障危害井下安全生產。

2.2 PLC 監控系統監測參數參考值設置

監測點風速設置由入井人員所需風量確定，監測點瓦斯濃度監測參數設置由瓦斯爆炸極限確定，溫度由井下作業人員正常工作所需環境溫度確定。根據井下正常作業所需風量計算公式：

式中：Q 為監測點處風量，m3/s；V 為監測點處風速，m/min；S 為監測點處斷面面積，m2；N 為井下作業人數；K 為礦井通風系數，取值為1.2～1.25。

式（1）（2）中，當監測點處工作人員數量一定時，監測點處所需風量是常數，相應監測點處的最小風速也是一定的，當PLC 監測設備監測到監測點處風速小于最小風速要求時，控制風門開啟或局部通風機啟動，增大進風量。根據監測點截面大小不同，監測點處的初始風速也不同，監測點的截面積較大時，風速較小，監測點的截面較小時，風速較大，兩者成反比例關系。在PLC 控制器編程中，確定風速監測值為監測點初始風速的85%、90%、95%時作為局部通風機啟動、風門全開、風門開啟1/2 的信號。瓦斯氣體的爆炸極限是5%～16%，在煤礦安全規程中，要求總回風巷道中瓦斯濃度不大于0.7%，對各工作面和巷道內的瓦斯濃度控制不夠精細化，根據瓦斯爆炸危險性，選定瓦斯濃度檢測值1%、1.5%、2%作為控制風門開啟1/2、風門全開和局部通風機開啟的信號。根據煤礦安全規程要求，煤礦開采過程中采掘工作面溫度不高于26°，機電設備硐室內最高溫度不高于30°，監測點不同對環境溫度的要求也不同，煤礦井下溫度隨風速風量的增加溫度逐漸降低，因此選定當溫度監測值為規程要求值的90%、100%、110%作為風門控制風門開啟1/2、風門全開和局部通風機開啟的信號[2]。根據煤礦井下開采特點設計監測動作值為如下頁表1 所示。如下頁表1 所示，由于不同監測點的初始風速不同，如采掘工作面的風速和進回風巷道的風速不同，同一工作水平不同截面的風速也是不同的，不同監測點的環境溫度要求也是不同的，如規程要求工作面環境溫度不大于26 ℃，機電設備硐室不大于30 ℃，因此在PLC 控制系統中，對不同監測點處設備設施的控制動作參考值是不同的，其中風速和環境溫度的設置使用的是監測點監測參數的相對值，由于不同的監測點初始風速和初始環境溫度值的不同，控制器對不同監測點處的控制參數要求是變化的。

表1 監測點處設備設施動作參考值

3 智能控制系統在礦井通風中的應用

3.1 PLC 智能監控系統中監測設備的選用

利用PLC 控制原理對某礦1510 綜采工作面的通風系統進行設計，工作面情況如下：1510 綜采工作面額定工作人員70 人，進風巷道截面積10.5 m2，經統計，回采工作面的瓦斯涌出量峰值為1.1 m3/s。在1510 綜采工作面的PLC 智能監控系統設計中，選用西門子S7-1200PLC 系列作為井下通風監控系統的控制器。與其他PLC 監控系統相比，西門子S7-1200PLC 系列具有很高的防塵、防爆性能，可以很好地適應煤礦開采過程中粉塵濃度高、煤粉易燃易爆的工作環境[3]；采用KG94A2 型瓦斯傳感器測量工作面的瓦斯濃度，監測點布置在采煤工作面上部，KG94A2 型瓦斯傳感器采用熱催化原理監測瓦斯濃度，在瓦斯濃度較低時傳感器的催化元件工作穩定，精度高，工作面瓦斯突出低谷值僅有0.2 m3/s，瓦斯涌出量較小，因此選用在低瓦斯濃度下仍有很高精度的KG94A2 型瓦斯傳感器；采用KG3044 型礦用溫度傳感器測量工作面的環境溫度，監測點布置在采煤工作面中部，KG3044 型礦用溫度傳感器利用PN 結測溫原理，在0～100 ℃范圍內，設備的精度可以達到1 ℃；采用KG3088 型礦用風速傳感器測量1510 綜采工作面進風巷道的風速，監測點布置在采煤工作面中部，KG3088 型礦用風速傳感器利用超聲式渦街流量計原理測量井下風速，測量范圍較廣，在風速較低時，傳感器的靈敏度較高。

3.2 PLC 智能監控系統中監測參數的確定

為保證煤礦開采時的通風安全，礦井通風系數取大值1.25，由公式（1）計算可得，1510 綜采工作面設計風量350 m3/min，由公式（2）計算可得，進風巷道初始風速0.56 m/s。PLC 智能監控系統在1510 綜采工作面應用過程中的監測參數如下表2。

表2 1510 綜采工作面監測參數

PLC 智能監控系統在1510 工作面的應用過程中，各監測參數之間是或的邏輯關系，以保證綜采工作面通風安全。如上表所示，當監測設備監測到進風巷道風速為0.532 m/s 或瓦斯濃度為1%或環境溫度為23.4 ℃時，監測信號經PLC 控制器判斷，輸出控制風門開啟至1/2 處的控制信號；當監測設備監測到進風巷道風速為0.504 m/s 或瓦斯濃度為1.5%或環境溫度為26 ℃時，監測信號經PLC 控制器判斷，輸出控制風門全開的控制信號；當監測設備監測到進風巷道風速為0.476 m/s 或瓦斯濃度為2%或環境溫度為28.6℃時，監測信號經PLC 控制器判斷，輸出控制局部通風機運轉的控制信號。

經現場試驗表明，在利用PLC 智能監控技術對1510 綜采工作面進行監測控制的過程中，PLC 智能監控系統可以實時監測到工作面風速、風量、瓦斯濃度、環境溫度等通風參數，并將監測信號經輸入模塊轉換成可供控制器進行邏輯判斷的數字信號，經預先輸入控制器的邏輯語句的判斷后輸出可控電動風門、局部通風機識別的動作信號，控制設備進行相應的動作，實現了對通風系統實時控制，提高了通風系統可靠性。

4 結論

1）闡述了PLC 監控技術的工作原理，與傳統的通風系統控制措施相比，PLC 監控系統實現了通風設備的智能化、自動化控制。

2）根據通風系統特點，選用進風巷道風速、工作面瓦斯濃度和工作面環境溫度作為監測參數，設計了控制風門、局部通風機開閉狀態的監測參考值。

3）利用PLC 監控技術，在某礦1510 工作面中設計一套智能監控系統應用到通風系統中，結果表明，PLC 監控技術可以滿足對通風系統的實時控制，提高了通風系統的穩定性。